Kafka Consumer1

本文的代码基于kafka的0.10.1的版本。

重新设计的原因

0.9以前的consumer是通过zookeeper来进行状态管理里的。

• 羊群效应
  • 任何Broker或者Consumer的增减都会触发所有的Consumer的Rebalance
• Split brain（大脑分裂）
  • 每个Consumer分别单独通过Zookeeper判断哪些Broker和Consumer 宕机了，那么不同Consumer在同一时刻从Zookeeper“看”到的View就可能不一样，这是由Zookeeper的特性决定的，这就会造成不正确的Reblance尝试。
• 调整结果不可控
  • 所有的Consumer都并不知道其它Consumer的Rebalance是否成功，这可能会导致Kafka工作在一个不正确的状态。

实现目标

在0.9， kafka 重新设计了 consumer，主要有以下几个目的：

1. 更轻便的客户端
   1. 部分用户希望开发和使用non-java的客户端。现阶段使用non-java发SimpleConsumer比较方便，但想开发High Level Consumer并不容易。因为High Level Consumer需要实现一些复杂但必不可少的失败探测和Rebalance。如果能将消费者客户端更精简，使依赖最小化，将会极大的方便non- java用户实现自己的Consumer。
2. 一个集中的协调者
   1. 如上文所述，当前版本的High Level Consumer存在Herd Effect和Split Brain的问题。如果将失败探测和Rebalance的逻辑放到一个高可用的中心Coordinator，那么这两个问题即可解决。同时还可大大减少 Zookeeper的负载，有利于Kafka Broker的Scale Out。
3. 允许手动分配partition
   1. 有些系统希望将 partition 和 consumer 进行一一对应。
   2. 在一些高级的消费者中，他们希望停止自动的 rebalance。
   3. 这个实现依赖于集中的协调者。
4. 允许手动管理 offset
   1. 一些系统希望以特定的时间间隔在自定义的数据库中管理Offset。这就要求Consumer能获取到每条消息的metadata，例如 Topic，Partition，Offset，同时还需要在Consumer启动时得到每个Partition的Offset。实现这些，需要提供新的 Consumer API。同时有个问题不得不考虑，即是否允许Consumer手工管理部分Topic的Offset，而让Kafka自动通过Zookeeper管理其它 Topic的Offset。一个可能的选项是让每个Consumer只能选取1种Offset管理机制，这可极大的简化Consumer API的设计和实现。
5. 允许用户指定 callback 和 rebalance
   1. 一些应用可能会在内存中为每个Partition维护一些状态，Rebalance时，它们可能需要将该状态持久化。因此该需求希望支持用户实现并指定一些可插拔的并在Rebalance时触发的回调。如果用户使用手动的Offset管理，那该需求可方便得由用户实现，而如果用户希望使用Kafka提供的自动Offset管理，则需要Kafka提供该回调机制
6. 非阻塞的消费API
   1. 该需求源于那些实现高层流处理操作，如filter by， group by， join等，的系统。现阶段的阻塞式Consumer几乎不可能实现Join操作。

Partition分配

当多个consumer 去消费topic的消息时，首先面临的问题就是哪个consuemr应该消费那些topicAndPartition。可以调用assign手动分配partition。如果需要手动分配，Kafka提供了两种自动分配 的方式，分别为Range和roundrobin。

Range

Range策略是对每个主题而言的，首先对同一个主题里面的分区按照序号进行排序，并对消费者按照字母顺序进行排序。在我们的例子里面，排完序的分区将会是0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9；消费者线程排完序将会是C1-0, C2-0, C2-1。然后将partitions的个数除于消费者线程的总数来决定每个消费者线程消费几个分区。如果除不尽，那么前面几个消费者线程将会多消费一个分区。在我们的例子里面，我们有10个分区，3个消费者线程， 10 / 3 = 3，而且除不尽，那么消费者线程 C1-0 将会多消费一个分区，所以最后分区分配的结果看起来是这样的：

• C1-0 将消费 0, 1, 2, 3 分区
• C2-0 将消费 4, 5, 6 分区
• C2-1 将消费 7, 8, 9 分区

假如我们有11个分区，那么最后分区分配的结果看起来是这样的：

• C1-0 将消费 0, 1, 2, 3 分区
• C2-0 将消费 4, 5, 6, 7 分区
• C2-1 将消费 8, 9, 10 分区

假如我们有2个主题(T1和T2)，分别有10个分区，那么最后分区分配的结果看起来是这样的：

• C1-0 将消费 T1主题的 0, 1, 2, 3 分区以及 T2主题的 0, 1, 2, 3分区
• C2-0 将消费 T1主题的 4, 5, 6 分区以及 T2主题的 4, 5, 6分区
• C2-1 将消费 T1主题的 7, 8, 9 分区以及 T2主题的 7, 8, 9分区

可以看出，C1-0 消费者线程比其他消费者线程多消费了2个分区，这就是Range strategy的一个很明显的弊端。

RoundRobin strategy

RoundRobin 策略会将所有的topicAndPartition 和 消费者进行排序。然后循环遍历每个消费者，依次分配tp。
举例两个消费者C1 和 C2, 两个 topic ， t0 和 t1， 每个 topic都有3个partition，这样下来总共有t0p0, t0p1, t0p2, t1p0, t1p1, and t1p2。而最终分配的结果是：

• C0 将消费 t0p0, t0p2, t1p1 这三个分区
• C1 将消费t0p1, t1p0, t1p2 这三个分区

如果有的消费者没有订阅其中的topic， 轮训策略会使得topic分配不均匀。
有的时候效果还不如 range assigment。

ConsumerCoordinator

当集群或者消费组出现变化的时候，就会执行partition的分配，我们称这种情况为 reblance。下面几种情况都会触发reblance：

1. 新的consumer加入了。
2. consumer 挂了。
3. consumer 执行了 unsubscribe，离开这个消费组。
4. 集群中的coordinator挂了，选举了一个新的。
5. topic 增加了 partition。

这些情况都是由 ConsumerCoordinator 进行处理。Coordinator通过一个特定的 broker 对 单个 消费组（consumer group） 进行管理。 Coordinator 主要负责下面几件事情:

1. Group Registration : 消费组里面的每个成员会通过自己的 metadata 向 coordinator 进行注册。
2. Group/Leader Selection: Coordinator 会从消费组里面的选取一个成员作为一个leader。这个leader 会进行partition的分配，并将分配结果提交给 coordinator。
3. State Assignment： Coordinator 会收集消费组里面每个成员的 metadata 信息，然后为它们分配不同的状态。
4. Group Stabilization： 消费组里面的每个成员会通过coordinator接收到 leader 设计的分配状态，并开始处理数据。
   

图1 ConsumerCoordinator 状态图 ConsumerCoordinator

图1中，consumer 首先查找服务器的 coordinator， 然后通过ensureActiveGroup 成功加入消费组里面，并启动heartBeat 线程，当heartBeat线程的通信返回错误后，重新进行上述操作。当然也可能该consumer离开了消费组，这时候其它的consumer会重复上述操作。

这个里面最重要的应该就是ensureActiveGroup 这个动作，它主要负责和服务器的Coordinator node 进行交互，并根据返回的结果做相应的处理。

1. 寻找服务器的coordinator。
2. 启动HeartBeat线程。
3. 将consumer加入group。
   1. 发送JoinGroupRequest 。
   2. 调用JoinGroupResponseHandler 处理 response。
      1. 如果结果成功了，查看返回结果中是不是指定这个consumer 作为leader。如果是leader，那就执行partition分配策略，如果不是，就说明是follower，不执行分配策略。
         然后leader 和 follower 都发送SyncGroupRequest给coordinator，不同的是leader的参数里包含了分配策略。
      2. 如果失败了，根据不同的情况进行处理。
   3. 处理 SyncGroupResponse，从其中获取consumer 消费的topicAndPartition，并触发 ConsumerRebalanceListener。

图2 展示了ensureActiveGroup 的具体行为。

参考：

[1] Kafka设计解析（四）：Kafka Consumer解析

[2] Kafka分区分配策略(Partition Assignment Strategy)

[3] Kafka源码深度解析－序列6 －Consumer －消费策略分析

[4] Kafka源码深度解析－序列7 －Consumer －coordinator协议与heartbeat实现原理