前言
现在假定这么一个业务场景,从kafka中的topic获取消息数据,经过一定加工处理后,发送到另外一个topic中,要求整个过程消息不能丢失,也不能重复发送,即实现端到端的Exactly-Once精确一次消息投递。这该如何实现呢?
Kafka事务介绍
针对上面的业务场景,kafka已经替我们想到了,在kafka 0.11版本以后,引入了一个重大的特性:幂等性和事务。
幂等性
这里提到幂等性的原因,主要是因为事务的启用必须要先开启幂等性,那么什么是幂等性呢?
幂等性是指生产者无论向kafka broker发送多少次重复的数据,broker 端只会持久化一条,保证数据不会重复。
幂等性通过生产者配置项enable.idempotence=true开启,默认情况下为true。
幂等性实现原理
- 每条消息都有一个主键,这个主键由 <PID, Partition, SeqNumber>组成。
- PID:ProducerID,每个生产者启动时,Kafka 都会给它分配一个 ID,ProducerID 是生产者的唯一标识,需要注意的是,Kafka 重启也会重新分配 PID。
- Partition:消息需要发往的分区号。
- SeqNumber:生产者,他会记录自己所发送的消息,给他们分配一个自增的 ID,这个 ID 就是 SeqNumber,是该消息的唯一标识,每发送一条消息,序列号加 1。
- 对于主键相同的数据,kafka 是不会重复持久化的,它只会接收一条。
幂等性缺点
根据幂等性的原理,我们发现它存在下面的缺点:
- 只能保证单分区、单会话内的数据不重复
- kafka 挂掉,重新给生产者分配了 PID,还是有可能产生重复的数据
那么如何实现跨分区、kafka broker重启也能保证不重复呢?这就要使用事务了。
事务
所谓事务,就是要求保证原子性,要么全部成功,要么全部失败。那么具体该如何开启呢?
- kafka要想开启事务必须要启用幂等性,即生产者配置enable.idempotence=true
- kafka生产者需要配置唯一的事务idtransactional.id, 最好为其设置一个有意义的名字。
- kafka消费端也有一个配置项isolation.level和事务有很大关系。
- read_uncommitted:默认值,消费端应用可以看到(消费到)未提交的事务,当然对于已提交的事务也是可见的。
- read_committed:消费端应用只能消费到提交的事务内的消息。
Kafka事务 API
现在我们用java的api来实现一下前面这个“消费-处理-生产“的例子吧。
- 引入依赖
- 创建事务的生产者
- enable.idempotence配置项目为true
- 设置transactional.id
- 创建事务的消费者
- enable.auto.commit=false,设置手动提交消费者offset
- 设置isolation.level=read_committed,消费事务已提交的消息
4.核心逻辑
- initTransactions(): 初始化事务
- beginTransaction(): 开启事务
- sendOffsetsToTransaction(): 在事务内提交已经消费的偏移量(主要用于消费者)
- commitTransaction(): 提交事务
- abortTransaction(): 放弃事务
Kafka事务实现原理
kafka事务的实现引入了事务协调器,如下图所示:
- 生产者使用事务必须配置事务id, kafka根据事务id计算分配事务协调器
- 事务协调器返回pid,前面的幂等性中需要
- 开始发送消息到topic中,不过这些消息与普通的消息不同,它们带着一个字段标识自己是事务消息
- 当生产者事务内的消息发送完毕,会向事务协调器发送 commit 或 abort 请求,等待 kafka 响应
- 事务协调器收到请求后先持久化到内置事务主题__transaction_state中,__transaction_state默认有50个分区,每个分区负责一部分事务。事务划分是根据transactional.id的hashcode值%50,计算出该事务属于哪个分区。 该分区Leader副本所在的broker节点即为这个transactional.id对应的Transaction Coordinator节点,这也是上面第一步中的计算逻辑。
- 事务协调器后台会跟topic通信,告诉它们事务是成功还是失败的。
- 如果是成功,topic会汇报自己已经收到消息,协调者收到主题的回应便确认了事务完成,并持久化这一结果。
- 如果是失败的,主题会把这个事务内的消息丢弃,并汇报给协调者,协调者收到所有结果后再持久化这一信息,事务结束。
- 持久化第6步中的事务成功或者失败的信息, 如果kafka broker配置max.transaction.timeout.ms之前既不提交也不中止事务, kafka broker将中止事务本身。 此属性的默认值为 15 分钟。
总结
本文讲解了通过kafka事务可以实现端到端的精确一次的消息语义,通过事务机制,KAFKA 实现了对多个 topic 的多个 partition 的原子性的写入,通过一个例子了解了一下如何使用事物。同时也简单介绍了事务实现的原理,它底层必须要依赖kafka的幂等性机制,同时通过类似“二段提交”的方式保证事务的原子性。