2021年5月12日星期三

Kafka源码分析(二)

Kafka生成者源码层面的分析

系列文章目录

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  • 系列文章目录
  • 一. 使用方式
    • step 1: 设置必要参数
    • step 2: 创建KafkaProducer
    • step 3：构造要发送的消息
    • step 4：发送消息
  • 二. 线程模型
  • 三. 源码分析
    • 1. 主线程
      • 1.1 KafkaProducer属性分析
      • 1.2 ProducerInterceptors
      • 1.3 元数据获取
      • 1.4 Serialize
      • 1.5 Partition选择
    • 2. RecordAccumulator
    • 3. Sender线程
      • 3.1 NetworkClient
      • 3.2 Sender线程业务逻辑
  • 四. 总结

一. 使用方式

show the code.

public class KafkaProducerDemo { public static void main(String[] args) {  // step 1: 设置必要参数  Properties config = new Properties();  config.setProperty(ProducerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,     "127.0.0.1:9092,127.0.0.1:9093");  config.setProperty(ProducerConfig.ACKS_CONFIG, "-1");  config.setProperty(ProducerConfig.RETRIES_CONFIG, "3");  // step 2: 创建KafkaProducer  KafkaProducer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(config);  // step 3: 构造要发送的消息  String topic = "kafka-source-code-demo-topic";  String key = "demo-key";  String value = "村口老张头: This is a demo message.";  ProducerRecord<String, String> record =     new ProducerRecord<>(topic, key, value);  // step 4: 发送消息  Future<RecordMetadata> future = producer.send(record); }}

step 1: 设置必要参数

代码中涉及的几个配置:

  • bootstrap.servers：指定Kafka集群节点列表(全部 or 部分均可)，用于KafkaProducer初始获取Server端元数据(如完整节点列表、Partition分布等等)；
  • acks：指定服务端有多少个副本完成同步，才算该Producer发出的消息写入成功(后面讲副本的文章会深入分析，这里按下不表)；
  • retries：失败重试次数；
    更多参数可以参考ProducerConfig类中的常量列表。

step 2: 创建KafkaProducer

KafkaProducer两个模板参数指定了消息的key和value的类型

step 3：构造要发送的消息

  1. 确定目标topic；
    String topic = "kafka-source-code-demo-topic";
  2. 确定消息的key
    String key = "demo-key";
    key用来决定目标Partition，这个下文细聊。
  3. 确定消息体
    String value = "村口老张头: This is a demo message.";
    这是待发送的消息内容，传递业务数据。

step 4：发送消息

Future<RecordMetadata> future = producer.send(record);

KafkaProducer中各类send方法均返回Future，并不会直接返回发送结果，其原因便是线程模型设计。

二. 线程模型

线程模型
这里主要存在两个线程：主线程 和 Sender线程。主线程即调用KafkaProducer.send方法的线程。当send方法被调用时，消息并没有真正被发送，而是暂存到RecordAccumulator。Sender线程在满足一定条件后，会去RecordAccumulator中取消息并发送到Kafka Server端。
那么为啥不直接在主线程就把消息发送出去，非得搞个暂存呢？为了Kafka的目标之一——高吞吐。具体而言有两点好处：

  1. 可以将多条消息通过一个ProduceRequest批量发送出去；
  2. 提高数据压缩效率(一般压缩算法都是数据量越大越能接近预期的压缩效果)；

三. 源码分析

先给个整体流程图，然后咱们再逐步分析。
整体流程图

1. 主线程

1.1 KafkaProducer属性分析

这里列出KafkaProducer的核心属性。至于全部属性说明，可参考我的"注释版Kafka源码"：https://github.com/Hao1296/kafka

字段名字段类型说明
clientIdString生产者唯一标识
partitionerPartitioner分区选择器
metadataMetadataKafka集群元数据
accumulatorRecordAccumulator消息缓存器
senderSenderSender线程业务逻辑封装，继承Runnable
ioThreadThreadSender线程对应的线程对象
interceptorsProducerInterceptors消息拦截器，下文会说明

1.2 ProducerInterceptors

ProducerInterceptors，消息拦截器集合，维护了多个ProducerInterceptor对象。用于在消息发送前对消息做额外的业务操作。使用时可按如下方式设置：

Properties config = new Properties();// interceptor.classesconfig.setProperty(ProducerConfig.INTERCEPTOR_CLASSES_CONFIG,    "com.kafka.demo.YourProducerInterceptor,com.kafka.demo.InterceptorImpl2");KafkaProducer<String, String> producer = new KafkaProducer<>(config);

ProducerInterceptor本身是一个接口：

public interface ProducerInterceptor<K, V> extends Configurable { ProducerRecord<K, V> onSend(ProducerRecord<K, V> record); void onAcknowledgement(RecordMetadata metadata, Exception exception); void close();}

其中，onAcknowledgement是得到Server端正确响应时的回调，后面再细说。onSend是消息在发送前的回调，可在这里做一些消息变更逻辑(如加减字段等)。输入原始消息，输出变更后的消息。KafkaProducer的send方法第一步就是执行ProducerInterceptor：

@Overridepublic Future<RecordMetadata> send(ProducerRecord<K, V> record, Callback callback) { // intercept the record, which can be potentially modified;  // this method does not throw exceptions // 关注这里 ProducerRecord<K, V> interceptedRecord = this.interceptors.onSend(record); return doSend(interceptedRecord, callback);}// 该send方法重载核心逻辑仍是上面的send方法@Overridepublic Future<RecordMetadata> send(ProducerRecord<K, V> record) { return send(record, null);}

1.3 元数据获取

接上文，ProducerInterceptors执行完毕后会直接调用doSend方法执行发送相关的逻辑。到这为止有个问题，我们并不知道目标Topic下有几个Partition，分别分布在哪些Broker上；故，我们也不知道消息该发给谁。所以，doSend方法第一步就是搞清楚消息集群结构，即获取集群元数据：

private Future<RecordMetadata> doSend(ProducerRecord<K, V> record, Callback callback) { TopicPartition tp = null; try {  throwIfProducerClosed();  ClusterAndWaitTime clusterAndWaitTime;  try {   // 获取集群元数据   clusterAndWaitTime = waitOnMetadata(record.topic(), record.partition(), maxBlockTimeMs);  } catch (KafkaException e) {   if (metadata.isClosed())    throw new KafkaException("Producer closed while send in progress", e);   throw e;  }  ... ... }

waiteOnMetadata方法内部大体分为2步：

private ClusterAndWaitTime waitOnMetadata(String topic, Integer partition, long maxWaitMs) throws InterruptedException { // 第1步, 判断是否已经有了对应topic&partition的元数据 Cluster cluster = metadata.fetch(); Integer partitionsCount = cluster.partitionCountForTopic(topic); if (partitionsCount != null && (partition == null || partition < partitionsCount))  // 若已存在, 则直接返回  return new ClusterAndWaitTime(cluster, 0);   // 第2步, 获取元数据 do {  ... ...  // 2.1 将目标topic加入元数据对象  metadata.add(topic);  // 2.3 将元数据needUpdate字段置为true, 并返回当前元数据版本  int version = metadata.requestUpdate();  // 2.4 唤醒Sender线程  sender.wakeup();  // 2.5 等待已获取的元数据版本大于version时返回, 等待时间超过remainingWaitMs时抛异常  try {   metadata.awaitUpdate(version, remainingWaitMs);  } catch (TimeoutException ex) {   throw new TimeoutException(    String.format("Topic %s not present in metadata after %d ms.",     topic, maxWaitMs));  }  // 2.6 检查新版本元数据是否包含目标partition;  // 若包含, 则结束循环; 若不包含, 则进入下一个迭代, 获取更新版本的元数据  cluster = metadata.fetch();  ......  partitionsCount = cluster.partitionCountForTopic(topic); } while (partitionsCount == null || (partition != null && partition >= partitionsCount));  return new ClusterAndWaitTime(cluster, elapsed);}

我们看到，waitOnMetadata的思想也和简单，即：唤醒Sender线程来更新元数据，然后等待元数据更新完毕。至于Sender线程是如何更新元数据的，放到下文详解。

1.4 Serialize

这一步是用通过"key.serializer"和"value.serializer"两个配置指定的序列化器分别来序列化key和value

private Future<RecordMetadata> doSend(ProducerRecord<K, V> record, Callback callback) { ..... // key序列化 byte[] serializedKey; try {  serializedKey = keySerializer.serialize(record.topic(), record.headers(), record.key()); } catch (ClassCastException cce) {  throw new SerializationException("Can't convert key of class " + record.key().getClass().getName() +    " to class " + producerConfig.getClass(ProducerConfig.KEY_SERIALIZER_CLASS_CONFIG).getName() +    " specified in key.serializer", cce); } // value序列化 byte[] serializedValue; try {  serializedValue = valueSerializer.serialize(record.topic(), record.headers(), record.value()); } catch (ClassCastException cce) {  throw new SerializationException("Can't convert value of class " + record.value().getClass().getName() +    " to class " + producerConfig.getClass(ProducerConfig.VALUE_SERIALIZER_CLASS_CONFIG).getName() +    " specified in value.serializer", cce); } ......}

Kafka内置了几个Serializer，如果需要的话，诸君也可以自定义：
org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer；
org.apache.kafka.common.serialization.LongSerializer；
org.apache.kafka.common.serialization.IntegerSerializer；
org.apache.kafka.common.serialization.ShortSerializer；
org.apache.kafka.common.serialization.FloatSerializer；
org.apache.kafka.common.serialization.DoubleSerializer；
org.apache.kafka.common.serialization.BytesSerializer；
org.apache.kafka.common.serialization.ByteBufferSerializer；
org.apache.kafka.common.serialization.ByteArraySerializer；

1.5 Partition选择

到这里，我们已经有了Topic相关的元数据，但也很快遇到了一个问题：Topic下可能有多个Partition，作为生产者，该将待发消息发给哪个Partition？这就用到了上文提到过的KafkaProducer的一个属性——partitioner。

private Future<RecordMetadata> doSend(ProducerRecord<K, V> record, Callback callback) { ...... // 确定目标Partition int partition = partition(record, serializedKey, serializedValue, cluster); ......}private int partition(ProducerRecord<K, V> record, byte[] serializedKey, byte[] serializedValue, Cluster cluster) { // 若ProducerRecord中强制指定了partition, 则以该值为准 Integer partition = record.partition(); // 否则调用Partitioner动态计算对应的partition return partition != null ?   partition :   partitioner.partition(     record.topic(), record.key(), serializedKey, record.value(), serializedValue, cluster);}

在创建KafkaProducer时，可以通过"partitioner.class"配置来指定Partitioner的实现类。若未指定，则使用Kafka内置实现类——DefaultPartitioner。DefaultPartitioner的策略也很简单：若未指定key，则在Topic下多个Partition间Round-Robin；若指定了key，则通过key来hash到一个partition。

public int partition(String topic, Object key, byte[] keyBytes, Object value, byte[] valueBytes, Cluster cluster) { List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic); int numPartitions = partitions.size(); if (keyBytes == null) {  // 若未指定key  int nextValue = nextValue(topic);  List<PartitionInfo> availablePartitions = cluster.availablePartitionsForTopic(topic);  if (availablePartitions.size() > 0) {   int part = Utils.toPositive(nextValue) % availablePartitions.size();   return availablePartitions.get(part).partition();  } else {   // no partitions are available, give a non-available partition   return Utils.toPositive(nextValue) % numPartitions;  } } else {  // hash the keyBytes to choose a partition  return Utils.toPositive(Utils.murmur2(keyBytes)) % numPartitions; }}

2. RecordAccumulator

RecordAccumulator作为消息暂存者，其思想是将目的地Partition相同的消息放到一起，并按一定的"规格"(由"batch.size"配置指定)划分成多个"批次"(ProducerBatch)，然后以批次为单位进行数据压缩&发送。示意图如下：
RecordAccumulator示意图
RecordAccumulator核心属性如下：

字段名字段类型说明
batchesConcurrentMap<TopicPartition, Deque<ProducerBatch>>按Partition维度存储消息数据，
即上文示意图描述的结构
compressionCompressionType数据压缩算法

RecordAccumulator有两个核心方法，分别对应"存"和"取"：

/** * 主线程会调用此方法追加消息 */public RecordAppendResult append(TopicPartition tp,         long timestamp,         byte[] key,         byte[] value,         Header[] headers,         Callback callback,         long maxTimeToBlock) throws InterruptedException;/** * Sender线程会调用此方法提取消息 */public Map<Integer, List<ProducerBatch>> drain(Cluster cluster,            Set<Node> nodes,            int maxSize,            long now);

3. Sender线程

3.1 NetworkClient

在分析Sender线程业务逻辑前，先来说说通信基础类。

NetworkClient有两个核心方法：

public void send(ClientRequest request, long now);public List<ClientResponse> poll(long timeout, long now);

其中，send方法很有迷惑性。乍一看，觉得其业务逻辑是将request同步发送出去。然而，send方法其实并不实际执行向网络端口写数据的动作，只是将请求"暂存"起来。poll方法才是实际执行读写动作的地方(NIO)。当请求的目标channel可写时，poll方法会实际执行发送动作；当channel有数据可读时，poll方法读取响应，并做对应处理。

NetworkClient有一个核心属性：

/* 实际实现类为 org.apache.kafka.common.network.Selector */private final Selectable selector;

send和poll方法都是通过selector来完成的：

public void send(ClientRequest request, long now) { doSend(request, false, now);}private void doSend(ClientRequest clientRequest, boolean isInternalRequest, long now) { ... ... doSend(clientRequest, isInternalRequest, now, builder.build(version));}private void doSend(ClientRequest clientRequest, boolean isInternalRequest, long now, AbstractRequest request) { ... ... selector.send(send);}public List<ClientResponse> poll(long timeout, long now) { ... ... this.selector.poll(Utils.min(timeout, metadataTimeout, defaultRequestTimeoutMs)); ... ...}

org.apache.kafka.common.network.Selector 内部则通过 java.nio.channels.Selector 来实现。

值得关注的一点是，NetworkClient的poll方法在调用Selector的poll方法前还有段业务逻辑：

// 在selector.poll前有此行逻辑long metadataTimeout = metadataUpdater.maybeUpdate(now);try {    this.selector.poll(Utils.min(timeout, metadataTimeout, defaultRequestTimeoutMs));} catch (IOException e) { log.error("Unexpected error during I/O", e);}

metadataUpdater.maybeUpdate可以看出是为元数据更新服务的。其业务逻辑是：判断是否需要更新元数据；若需要，则通过NetworkClient.send方法将MetadataRequest也加入"暂存"，等待selector.poll中被实际发送出去。

3.2 Sender线程业务逻辑

KafkaProducer中，和Sender线程相关的有两个属性：

字段名字段类型说明
ioThreadThreadSender线程实例
senderSenderRunnable实例，为Sender线程的具体业务逻辑

在KafkaProducer的构造函数中被创建：

KafkaProducer(ProducerConfig config,     Serializer<K> keySerializer,     Serializer<V> valueSerializer,     Metadata metadata,     KafkaClient kafkaClient) { ... ... this.sender = new Sender(logContext,   client,   this.metadata,   this.accumulator,   maxInflightRequests == 1,   config.getInt(ProducerConfig.MAX_REQUEST_SIZE_CONFIG),   acks,   retries,   metricsRegistry.senderMetrics,   Time.SYSTEM,   this.requestTimeoutMs,   config.getLong(ProducerConfig.RETRY_BACKOFF_MS_CONFIG),   this.transactionManager,   apiVersions); String ioThreadName = NETWORK_THREAD_PREFIX + " | " + clientId; this.ioThread = new KafkaThread(ioThreadName, this.sender, true); this.ioThread.start(); ... ...}

Sender线程的业务逻辑也很清晰：

public void run() { log.debug("Starting Kafka producer I/O thread."); // 主循环 while (running) {  try {   run(time.milliseconds());  } catch (Exception e) {   log.error("Uncaught error in kafka producer I/O thread: ", e);  } } log.debug("Beginning shutdown of Kafka producer I/O thread, sending remaining records."); // 下面是关闭流程 // okay we stopped accepting requests but there may still be // requests in the accumulator or waiting for acknowledgment, // wait until these are completed. while (!forceClose && (this.accumulator.hasUndrained() || this.client.inFlightRequestCount() > 0)) {  try {   run(time.milliseconds());  } catch (Exception e) {   log.error("Uncaught error in kafka producer I/O thread: ", e);  } } if (forceClose) {  // We need to fail all the incomplete batches and wake up the threads waiting on  // the futures.  log.debug("Aborting incomplete batches due to forced shutdown");  this.accumulator.abortIncompleteBatches(); } try {  this.client.close(); } catch (Exception e) {  log.error("Failed to close network client", e); } log.debug("Shutdown of Kafka producer I/O thread has completed.");}

主循环中仅仅是不断调用另一个run重载，该重载的核心业务逻辑如下：

void run(long now) { ... ... // 1. 发送请求,并确定下一步的阻塞超时时间 long pollTimeout = sendProducerData(now); // 2. 处理端口事件,poll的timeout为上一步计算结果 client.poll(pollTimeout, now);}

其中，sendProducerData会调用RecordAccumulator.drain方法获取待发送消息，然后构造ProduceRequest对象，并调用NetworkClient.send方法"暂存"。sendProducerData方法之后便是调用NetworkClient.poll来执行实际的读写操作。

四. 总结

本文分析了KafkaProducer的业务模型及核心源码实现。才疏学浅，不一定很全面，欢迎诸君随时讨论交流。后续还会有其他模块的分析文章，具体可见系列文章目录: https://zhuanlan.zhihu.com/p/367683572









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