Kafka超详细学习笔记【概念理解，安装配置】

2022-04-15 22:13:01

官方文档：http://kafka.apache.org/23/documentation.html#introduction

中文文档：https://kafka.apachecn.org/

本篇要点

  1. 介绍kafka的特性、概念、API及专业术语。
  2. 介绍Windows环境下kafka的安装配置，启动测试。
  3. Java客户端连接kafka的案例演示。

Kafka介绍

Apache Kafka 是一个分布式流处理平台：distributed streaming platform。

作为流处理平台的三种特性

  1. 可发布和订阅消息（流），这与消息队列或企业消息系统类似。
  2. 以容错（故障转移）的方式存储消息（流）。
  3. 提供实时的流处理。

主要应用

kafka主要应用于两大类应用：

  1. 构建实时的流数据通道，可靠地获取系统和应用程序之间的数据。
  2. 构建实时流的应用程序，对数据流进行转换或反应。

四个核心API

  1. Producer API：发布消息到一个或多个topic主题上。
  2. Consumer API：订阅一个或多个topic，处理产生的消息。
  3. Streams API：流处理器，从一个或多个topic消费输入流，并产生一个输出流到一个或多个输出topic，有效地将输入流转换到输出流。
  4. Connector API：可构建或运行可重用地生产者或消费者，将topic连接到现有地应用程序或数据系统。

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基本术语

Topic：kafka将消息分类，每一类的消息都有一个主题topic。

Producer：生产者，发布消息的对象。

Consumer：消费者，订阅消息的对象。

Broker：代理，已发布的消息保存在一组服务器中，称之为kafka集群，集群中每个服务器都是一个代理(broker)。消费者可以订阅一个或多个主题，并从broker上拉取数据，从而消费这些已发布的消息。

Partition：Topic物理上的分组，一个Topic可以分为多个partition，每个partition都是一个顺序的、不可变的消息队列，且可以持续添加。Partition中的每条消息都会被分配一个有序的序列号，称为偏移量（offset），因此每个分区中偏移量都是唯一的。

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Consumer Group：每个Consumer属于一个特定的Consumer Group，这是kafka用来实现一个Topic消息的广播【发送给所有的consumer的发布订阅式消息模型】和单播【发送给任意一个consumer队列消息模型】的手段。一个topic可以有多个consumer group。

  • 如果要实现广播，只要每个consumer有独立的consumer group就可以，此时就是发布订阅模型。
  • 如果要实现单播，只要所有的consumer在同一个consumer group中就可以，此时就是队列模型。

关于Consumer group的补充：一般来说，我们可以创建一些consumer group作为逻辑上的订阅者，每个组中包含数目不等的consumer，一个组内的多个消费者可以用来扩展性能和容错。

关于partition分区的补充：

1、【负载均衡】处理更多的消息，不受单台服务器的限制。

2、【顺序保证】kafka不能保证并行的时候消息的有序性，但是可以保证一个partition分区之中，消息只能由消费者组中的唯一一个消费者处理，以保证一个分区的消息先后顺序。

如下图：2个kafka集群托管4个分区(p0-p3)，2个消费者组，组A有2个消费者实例，组B有4个消费者实例。

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关于偏移量的补充：kafka集群将会保持所有的消息，直到他们过期，无论他们是否被消费。当消费者消费消息时，偏移量offset将会线性增加，但是消费者其实可以控制实际的偏移量，可以重置偏移量为更早的位置，意为着重新读取消息，且不会影响其他消费者对此log的处理。

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快速开始

安装配置Zookeeper

Kafka的安装配置启动需要依赖于Zookeeper，Zookeeper的安装配置可以参考我的前一篇文章。

当然，其实你下载kafka之后，就自动已经集成了Zookeeper，你可以通过修改配置，启动内置的zookeeper。

关于使用内置的Zookeeper还是自己安装的Zookeeper的区别，可以看看这篇文章：https://segmentfault.com/q/1010000021110446

下载kafka

下载地址：http://kafka.apache.org/downloads

下载二进制版本【Binary downloads】，下载完成之后，解压到合适的目录下。

笔者目录为：D:\dev\kafka_2.11-2.3.1。

配置文件

进入config目录下，找到server.properties文件并修改如下：

log.dirs=D:\\dev\\kafka_2.11-2.3.1\\config\\kafka-logs

zookeeper.connect=localhost:2182 # 默认端口是2181，这里修改为2182

找到zookeeper.properties文件，修改如下：

dataDir=D:\\softs\\zookeeper-3.4.13\\datas

dataLogDir=D:\\softs\\zookeeper-3.4.13\\logs

clientPort=2182

Windows的命令

在bin目录下存放着所有可以使用的命令行指令，Linux和Windows的存放目录需要注意：

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启动Zookeeper

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1> .\bin\windows\zookeeper-server-start.bat .\config\zookeeper.properties

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启动Kafka

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1> .\bin\windows\kafka-server-start.bat .\config\server.properties

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进行测试

创建topic

创建1个分区1个副本，topic为test-topic

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1>.\bin\windows\kafka-topics.bat --create --zookeeper localhost:2182 --replication-factor 1 --partitions 1 --topic test-topic

Created topic test-topic.

查看topic

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1>.\bin\windows\kafka-topics.bat --list --zookeeper localhost:2182

test-topic

生产者

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1>.\bin\windows\kafka-console-producer.bat --broker-list localhost:9092 --topic test-topic

消费者

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1>.\bin\windows\kafka-console-consumer.bat --bootstrap-server localhost:9092 --topic test-topic --from-beginning

生产者与消费者消息传递

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删除topic

如果kafka启动时加载的配置文件中 server.properties 中没有配置delete.topic.enable=true，则此删除非真正删除，而是仅仅将topic标记为marked for deletion

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1>.\bin\windows\kafka-topics.bat --delete --zookeeper localhost:2182 --topic test-topic

Topic test-topic is marked for deletion.

Note: This will have no impact if delete.topic.enable is not set to true.

登录内置的zookeeper客户端

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1\bin\windows>zookeeper-shell.bat localhost:2182

Connecting to localhost:2182

Welcome to ZooKeeper!

JLine support is disabled

物理删除topic

ls /brokers

[ids, topics, seqid]

ls /brokers/topics

[test, test-topic, __consumer_offsets]

rmr /brokers/topics/test-topic # 物理删除 test-topic

ls /brokers/topics

[test, __consumer_offsets]

Java客户端使用

引入依赖

        <dependency>

            <groupId>org.apache.kafka</groupId>

            <artifactId>kafka-clients</artifactId>

            <version>2.6.0</version>

        </dependency>

生产者

public class ProducerExample {

    public static void main(String[] args) {

        Map<String, Object> props = new HashMap<>();

        props.put("zk.connect", "localhost:2182");

        props.put("bootstrap.servers", "localhost:9092");

        props.put("acks", "all");

        props.put("retries", 0);

        props.put("batch.size", 16384);

        props.put("linger.ms", 1);

        props.put("buffer.memory", 33554432);

        props.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");

        props.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");

        Producer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(props);

        String topic = "test";

        for (int i = 1; i <= 100; i++) {

            // send方法是异步的 ， 返回Future对象，如果调用get()，将阻塞，直到相关请求完成并返回消息的metadata或抛出异常

            producer.send(new ProducerRecord<>(topic, "key" + i, "msg" + i * 100));

        }

        // 生产者的传冲空间池保留尚未发送到服务器的消息，后台I/O线程负责将这些消息转换程请求发送到集群

        // 如果使用后不关闭生产者，将会丢失这些消息。

        producer.close();

    }

}

  • zk.connect：设置zookeeper的地址。

  • bootstrap.servers：用于建立与 kafka 集群连接的 host/port 组。

  • acks：判断是不是成功发送，指定all将会阻塞消息，这种设置性能最低，但是是最可靠的。

  • retries：如果请求失败，生产者会自动重试，我们指定是0次，如果启用重试，则会有重复消息的可能性。

  • batch.size：(生产者)缓存每个分区未发送的消息。缓存的大小是通过 batch.size 配置指定的。值较大的话将会产生更大的批。并需要更多的内存（因为每个“活跃”的分区都有1个缓冲区）。

  • linger.ms：默认缓冲可立即发送，即便缓冲空间还没有满，但是，如果你想减少请求的数量，可以设置linger.ms大于0。这将指示生产者发送请求之前等待一段时间，希望更多的消息填补到未满的批中。这类似于TCP的算法，例如上面的代码段，可能100条消息在一个请求发送，因为我们设置了linger(逗留)时间为1毫秒，然后，如果我们没有填满缓冲区，这个设置将增加1毫秒的延迟请求以等待更多的消息。需要注意的是，在高负载下，相近的时间一般也会组成批，即使是 linger.ms=0。在不处于高负载的情况下，如果设置比0大，以少量的延迟代价换取更少的，更有效的请求。

  • buffer.memory：控制生产者可用的缓存总量，如果消息发送速度比其传输到服务器的快，将会耗尽这个缓存空间。当缓存空间耗尽，其他发送调用将被阻塞，阻塞时间的阈值通过max.block.ms设定，之后它将抛出一个TimeoutException。

  • key.serializer：用于序列化。

  • value.serializer：用于序列化。

消费者

public class ConsumerSample {

    public static void main(String[] args) {

        String topic = "test";// topic name

        Properties props = new Properties();

        props.put("bootstrap.servers", "localhost:9092");

        props.put("group.id", "testGroup1");

        props.put("enable.auto.commit", "true");

        props.put("auto.commit.interval.ms", "1000");

        props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");

        props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");

        Consumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer(props);

        // 订阅多个主题

        consumer.subscribe(Arrays.asList(topic));

        while (true) {

            // 订阅一组topic之后，调用poll时，消费者将自动加入到组中。

            // 只要持续调用poll，消费者将一直保持可用，并继续从分配的分区中接收消息。

            // 消费者向服务器定时发送心跳，如果在session.timeout.ms配置的时间内无法发送心跳，被视为死亡，分区将重新分配

            ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);

            for (ConsumerRecord<String, String> record : records)

                System.out.printf("*****************partition = %d, offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.partition(), record.offset(), record.key(), record.value());

        }

    }

}
  • bootstrap.servers：用于建立与 kafka 集群连接的 host/port 组。
  • group.id：消费者的组名，组名相同的消费者被视为同一个消费组。
  • enable.auto.commit：设置Consumer 的 offset 是否自动提交。
  • auto.commit.interval.ms：上面属性设置为true，由本属性设置自动提交 offset 到 zookeeper 的时间间隔，时间是毫秒
  • key.deserializer：用于反序列化。
  • value.deserializer：用于反序列化。

Kafka通过进程池瓜分消息并处理消息，这些进程可以在同一台机器运行，也可以分布到多台机器上，以增加可扩展型和容错性，相同的group.id的消费者将视为同一个消费者组。

组中的每个消费者都通过subscribe API动态的订阅一个topic列表。kafka将已订阅topic的消息发送到每个消费者组中。并通过平衡分区在消费者分组中所有成员之间来达到平均。因此每个分区恰好地分配1个消费者（一个消费者组中）。所有如果一个topic有4个分区，并且一个消费者分组有只有2个消费者。那么每个消费者将消费2个分区。

消费者组的成员是动态维护的：如果一个消费者故障。分配给它的分区将重新分配给同一个分组中其他的消费者。同样的，如果一个新的消费者加入到分组，将从现有消费者中移一个给它。这被称为重新平衡分组。

启动Zookeeper和kafka

创建topic

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1>.\bin\windows\kafka-topics.bat --create --zookeeper localhost:2182 --replication-factor 1 --partitions 1 --topic test

启动zookeeper

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1>.\bin\windows\zookeeper-server-start.bat .\config\zookeeper.properties

启动kafka

D:\dev\kafka_2.11-2.3.1>.\bin\windows\kafka-server-start.bat .\config\server.properties

测试

先启动消费者ConsumerExample，再启动生产者ProducerExample，观察控制台。

总结

  • kafka作为一个消息系统，它设计了partition分区，提供了负载均衡能力，保证了消息分区内的顺序。
  • kafka拥有消费者组的概念，很好地实现发布订阅和队列式的消息模型。
  • kafka作为一个存储系统，高性能，低延迟。
  • kafka能够提供实时的流处理，提供强大的StreamsAPI，而不是简单的读写和存储。

参考阅读

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