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kafka中间件-数据存储（1）-创新互联

摘要：

Kafka这款分布式消息队列使用文件系统和操作系统的页缓存（page cache）分别存储和缓存消息，摒弃了Java的堆缓存机制，同时将随机写操作改为顺序写，再结合Zero-Copy的特性极大地改善了IO性能。“一块SATA RAID-5阵列磁盘的线性写速度可以达到几百M/s，而随机写的速度只能是100多KB/s，线性写的速度是随机写的上千倍”，由此可以看出对磁盘写消息的速度快慢关键还是取决于我们的使用方法。
Kafka也能够通过配置让用户自己决定已经落盘的持久化消息保存的时间，提供消息处理更为灵活的方式。本文将主要介绍Kafka中数据的存储消息结构、存储方式以及如何通过offset来查找消息等内容。

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1、Kafka中几个重要概念介绍

（1）Broker：消息中间件处理节点，一个Kafka节点就是一个broker，一个或者多个Broker可以组成一个Kafka集群；
（2）Topic：主题是对一组消息的抽象分类，比如例如page view日志、click日志等都可以以topic的形式进行抽象划分类别。在物理上，不同Topic的消息分开存储，逻辑上一个Topic的消息虽然保存于一个或多个broker上但用户只需指定消息的Topic即可使得数据的生产者或消费者不必关心数据存于何处；
（3）Partition：每个主题又被分成一个或者若干个分区（Partition）。每个分区在本地磁盘上对应一个文件夹，分区命名规则为主题名称后接“—”连接符，之后再接分区编号，分区编号从0开始至分区总数减-1；
（4）LogSegment：每个分区又被划分为多个日志分段（LogSegment）组成，日志段是Kafka日志对象分片的最小单位；LogSegment算是一个逻辑概念，对应一个具体的日志文件（“.log”的数据文件）和两个索引文件（“.index”和“.timeindex”，分别表示偏移量索引文件和消息时间戳索引文件）组成；
（5）Offset：每个partition中都由一系列有序的、不可变的消息组成，这些消息被顺序地追加到partition中。每个消息都有一个连续的序列号称之为offset—偏移量，用于在partition内唯一标识消息（并不表示消息在磁盘上的物理位置）；
（6）Message：消息是Kafka中存储的最小最基本的单位，即为一个commit log，由一个固定长度的消息头和一个可变长度的消息体组成；

2、 Kafka的日志结构与数据存储

Kafka中的消息是以主题（Topic）为基本单位进行组织的，各个主题之间相互独立。在这里主题只是一个逻辑上的抽象概念，而在实际数据文件的存储中，Kafka中的消息存储在物理上是以一个或多个分区（Partition）构成，每个分区对应本地磁盘上的一个文件夹，每个文件夹内包含了日志索引文件（“.index”和“.timeindex”）和日志数据文件（“.log”）两部分。分区数量可以在创建主题时指定，也可以在创建Topic后进行修改。（ps：Topic的Partition数量只能增加而不能减少，这点内容超出本篇幅的减少范围，大家可以先思考下）。
在Kafka中正是因为使用了分区（Partition）的设计模型，通过将主题（Topic）的消息打散到多个分区，并分布保存在不同的Kafka Broker节点上实现了消息处理的高吞吐量。其生产者和消费者都可以多线程地并行操作，而每个线程处理的是一个分区的数据。
kafka中间件-数据存储（1）

同时，Kafka为了实现集群的高可用性，在每个Partition中可以设置有一个或者多个副本（Replica），分区的副本分布在不同的Broker节点上。同时，从副本中会选出一个副本作为Leader，Leader副本负责与客户端进行读写操作。而其他副本作为Follower会从Leader副本上进行数据同步。

2.1、Kafka中分区/副本的日志文件存储分析

创建3副本的topic

./kafka-topics.sh --create --zookeeper 10.154.0.73:2181 --replication-factor 3 --partitions  3 --topic kafka-topic-01
./kafka-topics.sh --describe --zookeeper 10.154.0.73:2181 --topic kafka-topic-01

每个分区在物理上对应一个文件夹，分区的命名规则为主题名后接“—”连接符，之后再接分区编号，分区编号从0开始，编号的大值为分区总数减1。每个分区又有1至多个副本，分区的副本分布在集群的不同代理上，以提高可用性。从存储的角度上来说，分区的每个副本在逻辑上可以抽象为一个日志（Log）对象，即分区副本与日志对象是相对应的。下图是在三个Kafka Broker节点所组成的集群中分区的主/备份副本的物理分布情况图：

kafka中间件-数据存储（1）

2.2、Kafka中日志索引和数据文件的存储结构

在Kafka中，每个Log对象又可以划分为多个LogSegment文件，每个LogSegment文件包括一个日志数据文件和两个索引文件（偏移量索引文件和消息时间戳索引文件）。其中，每个LogSegment中的日志数据文件大小均相等（该日志数据文件的大小可以通过在Kafka Broker的config/server.properties配置文件的中的“log.segment.bytes”进行设置，默认为1G大小（1073741824字节），在顺序写入消息时如果超出该设定的阈值，将会创建一组新的日志数据和索引文件）。
Kafka将日志文件封装成一个FileMessageSet对象，将偏移量索引文件和消息时间戳索引文件分别封装成OffsetIndex和TimerIndex对象。Log和LogSegment均为逻辑概念，Log是对副本在Broker上存储文件的抽象，而LogSegment是对副本存储下每个日志分段的抽象，日志与索引文件才与磁盘上的物理存储相对应；下图为Kafka日志存储结构中的对象之间的对应关系图：

kafka中间件-数据存储（1）

为了进一步查看“.index”偏移量索引文件、“.timeindex”时间戳索引文件和“.log”日志数据文件，可以执行下面的命令将二进制分段的索引和日志数据文件内容转换为字符型文件：

# 1、执行下面命令即可将日志数据文件内容dump出来
./kafka-run-class.sh kafka.tools.DumpLogSegments --files /apps/svr/Kafka/kafkalogs/kafka-topic-01-0/00000000000022372103.log --print-data-log > 00000000000022372103_txt.log

#2、dump出来的具体日志数据内容
Dumping /apps/svr/Kafka/kafkalogs/kafka-topic-01-0/00000000000022372103.log
Starting offset: 22372103
offset: 22372103 position: 0 CreateTime: 1532433067157 isvalid: true keysize: 4 valuesize: 36 magic: 2 compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: [] key: 1 payload: 5d2697c5-d04a-4018-941d-881ac72ed9fd
offset: 22372104 position: 0 CreateTime: 1532433067159 isvalid: true keysize: 4 valuesize: 36 magic: 2 compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: [] key: 1 payload: 0ecaae7d-aba5-4dd5-90df-597c8b426b47
offset: 22372105 position: 0 CreateTime: 1532433067159 isvalid: true keysize: 4 valuesize: 36 magic: 2 compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: [] key: 1 payload: 87709dd9-596b-4cf4-80fa-d1609d1f2087
......
......
offset: 22372444 position: 16365 CreateTime: 1532433067166 isvalid: true keysize: 4 valuesize: 36 magic: 2 compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: [] key: 1 payload: 8d52ec65-88cf-4afd-adf1-e940ed9a8ff9
offset: 22372445 position: 16365 CreateTime: 1532433067168 isvalid: true keysize: 4 valuesize: 36 magic: 2 compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: [] key: 1 payload: 5f5f6646-d0f5-4ad1-a257-4e3c38c74a92
offset: 22372446 position: 16365 CreateTime: 1532433067168 isvalid: true keysize: 4 valuesize: 36 magic: 2 compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: [] key: 1 payload: 51dd1da4-053e-4507-9ef8-68ef09d18cca
offset: 22372447 position: 16365 CreateTime: 1532433067168 isvalid: true keysize: 4 valuesize: 36 magic: 2 compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: [] key: 1 payload: 80d50a8e-0098-4748-8171-fd22d6af3c9b
......
......
offset: 22372785 position: 32730 CreateTime: 1532433067174 isvalid: true keysize: 4 valuesize: 36 magic: 2 compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: [] key: 1 payload: db80eb79-8250-42e2-ad26-1b6cfccb5c00
offset: 22372786 position: 32730 CreateTime: 1532433067176 isvalid: true keysize: 4 valuesize: 36 magic: 2 compresscodec: NONE producerId: -1 producerEpoch: -1 sequence: -1 isTransactional: false headerKeys: [] key: 1 payload: 51d95ab0-ab0d-4530-b1d1-05eeb9a6ff00
......
......
#3、同样地，dump出来的具体偏移量索引内容
Dumping /apps/svr/Kafka/kafkalogs/kafka-topic-01-0/00000000000022372103.index
offset: 22372444 position: 16365
offset: 22372785 position: 32730
offset: 22373467 position: 65460
offset: 22373808 position: 81825
offset: 22374149 position: 98190
offset: 22374490 position: 114555
......
......
#4、dump出来的时间戳索引文件内容
Dumping /apps/svr/Kafka/kafkalogs/kafka-topic-01-0/00000000000022372103.timeindex
timestamp: 1532433067174 offset: 22372784
timestamp: 1532433067191 offset: 22373466
timestamp: 1532433067206 offset: 22373807
timestamp: 1532433067214 offset: 22374148
timestamp: 1532433067222 offset: 22374489
timestamp: 1532433067230 offset: 22374830
......
......

由上面dump出来的偏移量索引文件和日志数据文件的具体内容可以分析出来，偏移量索引文件中存储着大量的索引元数据，日志数据文件中存储着大量消息结构中的各个字段内容和消息体本身的值。索引文件中的元数据postion字段指向对应日志数据文件中message的实际位置（即为物理偏移地址）。
下面的表格先列举了Kakfa消息体结构中几个主要字段的说明：

Kafka消息字段 各个字段说明
offset消息偏移量
message size消息总长度
CRC32CRC32编码校验和
attributes表示为独立版本、或标识压缩类型、或编码类型
magic表示本次发布Kafka服务程序协议版本号
key length消息Key的长度
key消息Key的实际数据
valuesize消息的实际数据长度
playload消息的实际数据

总结

从全文来看，Kafka高效数据存储设计的特点在于以下几点：
（1）、Kafka把主题中一个分区划分成多个分段的小文件段，通过多个小文件段，就容易根据偏移量查找消息、定期清除和删除已经消费完成的数据文件，减少磁盘容量的占用；
（2）、采用稀疏索引存储的方式构建日志的偏移量索引文件，并将其映射至内存中，提高查找消息的效率，同时减少磁盘IO操作；
（3）、Kafka将消息追加的操作逻辑变成为日志数据文件的顺序写入，极大的提高了磁盘IO的性能；
任何一位使用Kafka的同学来说，如果能够掌握其数据存储机制，对于大规模Kafka集群的性能调优和问题定位都大有裨益。

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