Kafka消费者那些事儿

前言

消息的消费一般有两种模式，推模式和拉模式。推模式是服务端主动将消息推送给消费者，而拉模式是消费者主动向服务端发起请求来拉取消息。kakfa采用的是拉模式，这样可以很好的控制消费速率。那么kafka消费的具体工作流程是什么样的呢？kafka的位移管理又是怎么样的呢？

消费者消费规则

kafka是以消费者组进行消费，一个消费者组，由多个consumer组成，他们和topic的消费规则如下：

• topic的一个分区只能被消费组中的一个消费者消费。
• 消费者组中的一个消费者可以消费topic一个或者多个分区。

通过这种分组、分区的消费方式，可以提高消费者的吞吐量，同时也能够实现消息的发布/订阅模式和点对点两种模式。

消费者整体工作流程

消费者消费总体分为两个步骤，第一步是制定消费的方案，就是这个组下哪个消费者消费哪个分区，第二个是建立网络连接，获取消息数据。

一、制定消费方案

1. 消费者consumerA，consumerB, consumerC向kafka集群中的协调器coordinator发送JoinGroup的请求。coordinator主要是用来辅助实现消费者组的初始化和分区的分配。

• coordinator老大节点选择 = groupid的hashcode值 % 50（ __consumer_offsets内置主题位移的分区数量）例如： groupid的hashcode值 为1，1% 50 = 1，那么__consumer_offsets 主题的1号分区，在哪个broker上，就选择这个节点的coordinator作为这个消费者组的老大。消费者组下的所有的消费者提交offset的时候就往这个分区去提交offset。

2. 选出一个 consumer作为消费中的leader，比如上图中的consumerB。
3. 消费者leader制定出消费方案，比如谁来消费哪个分区等，有Range分区策略、RoundRobin分区策略等。
4. 把消费方案告诉给coordinator
5. 最后coordinator就把消费方案下发给各个consumer, 图中只画了一条线，实际上是会下发到各个consumer。

二、消费者消费细节

现在已经初始化消费者组信息，知道哪个消费者消费哪个分区，接着我们来看看消费者细节。

1. 消费者创建一个网络连接客户端ConsumerNetworkClient, 发送消费请求，可以进行如下配置：

• fetch.min.bytes: 每批次最小抓取大小，默认1字节
• fetch.max.bytes: 每批次最大抓取大小，默认50M
• fetch.max.wait.ms：最大超时时间，默认500ms

2. 发送请求到kafka集群
3. 获取数据成功，会将数据保存到completedFetches队列中
4. 消费者从队列中抓取数据，根据配置max.poll.records一次拉取数据返回消息的最大条数，默认500条。
5. 获取到数据后，经过反序列化器、拦截器后，得到最终的消息。
6. 最后一步是提交保存消费的位移offset，也就是这个消费者消费到什么位置了，这样下次重启也可以继续从这个位置开始消费，关于offset的管理后面详细介绍。

消费者分区策略

前面简单提到了消费者组初始化的时候会对分区进行分配，那么具体的分配策略是什么呢，也就是哪个消费者消费哪个分区数据？

kafka有四种主流的分区分配策略： Range、RoundRobin、Sticky、CooperativeSticky。可以通过配置参数partition.assignment.strategy，修改分区的分配策略。默认策略是Range + CooperativeSticky。Kafka可以同时使用多个分区分配策略。

Range 分区策略

• Range分区 是对每个 topic 而言的。对同一个 topic 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。
• 通过 partitions数/consumer数 来决定每个消费者应该消费几个分区。如果除不尽，那么前面几个消费者将会多消费 1 个分区。

如上图所示：有 7 个分区，3 个消费者，排序后的分区将会是0,1,2,3,4,5,6；消费者排序完之后将会是C0,C1,C2。7/3 = 2 余 1 ，除不尽，那么 消费者 C0 便会多消费 1 个分区。 8/3=2余2，除不尽，那么C0和C1分别多消费一个。

这种方式容易造成数据倾斜！如果有 N 多个 topic，那么针对每个 topic，消费者 C0都将多消费 1 个分区，topic越多，C0消费的分区会比其他消费者明显多消费 N 个分区。

RoundRobin 分区策略

RoundRobin 针对集群中所有topic而言，RoundRobin 轮询分区策略，是把所有的 partition 和所有的consumer 都列出来，然后按照 hashcode 进行排序，最后通过轮询算法来分配 partition 给到各个消费者。

Sticky 和Cooperative Sticky分区策略

Sticky是粘性的意思，它是从 0.11.x 版本开始引入这种分配策略，首先会尽量均衡的放置分区到消费者上面，在出现同一消费者组内消费者出现问题的时候，在rebalance会尽量保持原有分配的分区不变化，这样可以节省开销。

Cooperative Sticky和Sticky类似，但是它会将原来的一次大规模rebalance操作，拆分成了多次小规模的rebalance，直至最终平衡完成，所以体验上会更好。

关于什么是rebalance继续往下看你就知道了。

消费者再均衡

上面也提到了rebalance，也就是再均衡。当kafka发生下面的情况会进行在均衡，也就是重新给消费者分配分区：

• 有新的消费者加入消费组。 
• 有消费者宕机下线，消费者并不一定需要真正下线，例如遇到长时间的 GC 、网络延迟导致消费者长时间未向Group Coordinator发送心跳等情况时，GroupCoordinator 会认为消费者己下线。 
• 有消费者主动退出消费组。
• 消费组所对应的Group Coorinator节点发生了变更。 
• 消费组内所订阅的任一主题或者主题的分区数量发生变化。

消费者位移offset管理

消费者需要保存当前消费到分区的什么位置了，这样哪怕消费者故障，重启后也能继续消费，这就是消费者的维护offset管理。

一、消费者位移offset存储位置

消费者位移offset存储在哪呢？

• kafka0.9版本之前，consumer默认将offset保存在Zookeeper中
• 从0.9版本开始，consumer默认将offset保存在Kafka一个内置的topic中，该topic为__consumer_offsets，这样可以大量减少和zookeeper的交互。
• __consumer_offsets 主题里面采用 key 和 value 的方式存储数据。key 是 group.id+topic+分区号，value 就是当前 offset 的值。

如何查看__consumer_offsets主题内容？

• 在配置文件 config/consumer.properties 中添加配置 exclude.internal.topics=false，默认是 true，表示不能消费系统主题。为了查看该系统主题数据，所以该参数修改为 false。
• 查看消费者消费主题__consumer_offsets。

bin/kafka-console-consumer.sh --topic 
__consumer_offsets --bootstrap-server hadoop102:9092 --
consumer.config config/consumer.properties --formatter 
"kafka.coordinator.group.GroupMetadataManager$OffsetsMessageForm
atter" --from-beginning
## topic1 1号分区
[offset,topic1,1]::OffsetAndMetadata(offset=7, 
leaderEpoch=Optional[0], metadata=, commitTimestamp=1622442520203, 
expireTimestamp=None)
## topic1 0号分区
[offset,topic1,0]::OffsetAndMetadata(offset=8, 
leaderEpoch=Optional[0], metadata=, commitTimestamp=1622442520203, 
expireTimestamp=None)

二、消费者位移offset提交保存模式

消费者是如何提交保存位移offset呢？

自动提交

为了使我们能够专注于自己的业务逻辑，kafka默认提供了自动提交offset的功能。这个由消费者客户端参数 enable.auto.commit 配置， 默认值为 true 。当然这个默认的自动提交不是每消费一条消息就提交一次，而是定期提交，这个定期的周期时间由客户端参数 auto.commit.interval.ms 配置，默认值为 5 秒。

• 消费者每隔 5 秒会将拉取到的每个分区中最大的消息位移进行提交。
• 自动位移提交 的动作是在 poll() 方法的逻辑里完成的，在每次真正向服务端发起拉取请求之前会检查是否可以进行位移提交，如果可以，那么就会提交上一次轮询的位移。

自动提交会带来什么问题？

自动提交消费位移的方式非常简便，但会带来是重复消费的问题。

假设刚刚提交完一次消费位移，然后拉取一批消息进行消费，在下一次自动提交消费位移之前，消费者崩溃了，那么又得从上一次位移提交的地方重新开始消费，这样便发生了重复消费的现象。

我们可以通过减小位移提交的时间间隔来减小重复消息的窗口大小，但这样 并不能避免重复消费的发送，而且也会使位移提交更加频繁。

手动提交

很多时候并不是说拉取到消息就算消费完成，而是需要将消息写入数据库、写入本地缓存，或者是更 加复杂的业务处理。在这些场景下，所有的业务处理完成才能认为消息被成功消费。手动的提交方式可以让开发人员根据程序的逻辑在合适的地方进行位移提交。

// 是否自动提交 offset
 properties.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, false);

手动提交可以细分为同步提交和异步提交，对应于 KafkaConsumer 中的 commitSync()和 commitAsync()两种类型的方法。

• 同步提交方式

同步提交会阻塞当前线程，一直到提交成功，并且会自动失败重试（由不可控因素导致，也会出现提交失败），它必须等待offset提交完毕，再去消费下一批数据。

// 同步提交 offset
consumer.commitSync();

• 异步提交方式

异步提交则没有失败重试机制，故有可能提交失败。它发送完提交offset请求后，就开始消费下一批数据了。

// 异步提交 offset
consumer.commitAsync();

那么手动提交会带来什么问题呢？可能会出现"漏消息"的情况。

设置offset为手动提交，当offset被提交时，数据还在内存中未落盘，此时刚好消费者线程被kill掉，那么offset已经提交，但是数据未处理，导致这部分内存中的数据丢失。

我们可以通过消费者事物来解决这样的问题。

其实无论是手动提交还是自动提交，都有可能出现消息重复和是漏消息，与我们的编程模型有关，需要我们开发的时候根据消息的重要程度来选择合适的消费方案。

消费者API

一个正常的消费逻辑需要具备以下几个步骤：

（1）配置消费者客户端参数及创建相应的消费者实例；

（2）订阅主题；

（3）拉取消息并消费；

（4）提交消费位移 offset；

（5）关闭消费者实例。

public class MyConsumer { 
    public static void main(String[] args) { 
        Properties props = new Properties(); 
        // 定义 kakfa 服务的地址，不需要将所有 broker 指定上 
        props.put("bootstrap.servers", "doitedu01:9092"); 
        // 制定 consumer group 
        props.put("group.id", "g1"); 
        // 是否自动提交 offset 
        props.put("enable.auto.commit", "true"); 
        // 自动提交 offset 的时间间隔 
        props.put("auto.commit.interval.ms", "1000");
        // key 的反序列化类 
        props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); 
        // value 的反序列化类
        props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); 
        // 如果没有消费偏移量记录，则自动重设为起始 offset：latest, earliest, none 
        props.put("auto.offset.reset","earliest");
    
    	// 定义 consumer 
        KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props); 
        // 消费者订阅的 topic, 可同时订阅多个 
        consumer.subscribe(Arrays.asList("first", "test","test1"));
        while (true) { 
            // 读取数据，读取超时时间为 100ms 
            ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100); 
            for (ConsumerRecord<String, String> record : records) 
            	System.out.printf("offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value()); 
        } 
	} 
}

订阅主题

• 指定集合方式订阅主题

consumer.subscribe(Arrays.asList(topicl )); 
consumer subscribe(Arrays.asList(topic2))

• 正则方式订阅主题

如果消费者采用的是正则表达式的方式（subscribe(Pattern)）订阅， 在之后的过程中，如果 有人又创建了新的主题，并且主题名字与正表达式相匹配，那么这个消费者就可以消费到 新添加的主题中的消息。

consumer.subscribe(Pattern.compile ("topic.*" ));

• 订阅主题指定分区

消费者不仅可以通过 KafkaConsumer.subscribe()方法订阅主题，还可直接订阅某些主题的指定分区。

consumer.assign(Arrays.asList(new TopicPartition ("tpc_1" , 0),new TopicPartition(“tpc_2”,1))) ;

取消订阅

通过unsubscribe()方法采取消主题的订阅。

consumer.unsubscribe();

poll()拉取消息

kafka 中的消息消费是一个不断轮询的过程，消费者所要做的就是重复地调用 poll() 方法， poll()方法返回的是所订阅的主题（分区）上的一组消息。

对于 poll () 方法而言，如果某些分区中没有可供消费的消息，那么此分区对应的消息拉取的结果就为空。

public ConsumerRecords<K, V> poll(final Duration timeout)

超时时间参数 timeout ，用来控制 poll() 方法的阻塞时间，在消费者的缓冲区里没有可用数据时会发生阻塞。

指定位移消费

有些时候，我们需要一种更细粒度的掌控，可以让我们从特定的位移处开始拉取消息，而 KafkaConsumer 中的 seek（ 方法正好提供了这个功能，让我们可以追前消费或回溯消费。

public void seek(TopicPartiton partition,long offset)

消费者重要参数

最后我们总结一下消费者中重要的参数配置。

总结

kafka消费是很重要的一个环节，本文总结kafka消费者的一些重要机制，包括消费者的整个流程，消费的分区策略，消费的再平衡以及消费的位移管理。在明白这些机制以后，简单讲解了如何使用消费者consumer的API以及消费者中重要的参数。