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(1)Customer和Customer Group

(1)两种常用的消息模型

队列模型(queuing发布-订阅模型(publish-subscribe)

队列的处理方式是一组消费者从服务器读取消息,一条消息只由其中的一个消费者来处理。

发布-订阅模型中,消息被广播给所有的消费者,接收到消息的消费者都可以处理此消息。

(2)Kafka的消费者和消费者组

Kafka为这两种模型提供了单一的消费者抽象模型: 消费者组 (consumer group)。 消费者用一个消费者组名标记自己。 一个发布在Topic上消息被分发给此消费者组中的一个消费者。 假如所有的消费者都在一个组中,那么这就变成了队列模型。 假如所有的消费者都在不同的组中,那么就完全变成了发布-订阅模型。 一个消费者组中消费者订阅同一个Topic,每个消费者接受Topic的一部分分区的消息,从而实现对消费者的横向扩展,对消息进行分流。

注意:当单个消费者无法跟上数据生成的速度,就可以增加更多的消费者分担负载,每个消费者只处理部分partition的消息,从而实现单个应用程序的横向伸缩。但是不要让消费者的数量多于partition的数量,此时多余的消费者会空闲。此外,Kafka还允许多个应用程序从同一个Topic读取所有的消息,此时只要保证每个应用程序有自己的消费者组即可。

消费者组的概念就是:当有多个应用程序都需要从Kafka获取消息时,让每个app对应一个消费者组,从而使每个应用程序都能获取一个或多个Topic的全部消息;在每个消费者组中,往消费者组中添加消费者来伸缩读取能力和处理能力,消费者组中的每个消费者只处理每个Topic的一部分的消息,每个消费者对应一个线程。

 

(3)线程安全

在同一个群组中,无法让一个线程运行多个消费者,也无法让多线线程安全地共享一个消费者。按照规则,一个消费者使用一个线程,如果要在同一个消费者组中运行多个消费者,需要让每个消费者运行在自己的线程中。最好把消费者的逻辑封装在自己的对象中,然后使用java的ExecutorService启动多个线程,使每个消费者运行在自己的线程上,可参考https://www.confluent.io/blog

 (2)Partition Rebalance分区再均衡

(1)消费者组中新添加消费者读取到原本是其他消费者读取的消息

(2)消费者关闭或崩溃之后离开群组,原本由他读取的partition将由群组里其他消费者读取

(3)当向一个Topic添加新的partition,会发生partition在消费者中的重新分配

以上三种现象会使partition的所有权在消费者之间转移,这样的行为叫作再均衡

再均衡的优点:

给消费者组带来了高可用性和伸缩性

再均衡的缺点:

(1)再均衡期间消费者无法读取消息,整个群组有一小段时间不可用

(2)partition被重新分配给一个消费者时,消费者当前的读取状态会丢失,有可能还需要去刷新缓存,在它重新恢复状态之前会拖慢应用程序。

因此需要进行安全的再均衡和避免不必要的再均衡。

(3)创建Kafka消费者、订阅主题、轮询

Properties props = new Properties();  
      props.put("bootstrap", "broker1:9092,broker2:9092");
      props.put("group.id", "CountryCounter");
      props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");  
      props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");  
      //1.创建消费者
      KafkaConsuner<String, String> consumer = new KafkaConsumer<String, String>(props);
      
      //2.订阅Topic
      //创建一个只包含单个元素的列表,Topic的名字叫作customerCountries
      consumer.subscribe(Collections.singletonList("customerCountries"));
      //支持正则表达式,订阅所有与test相关的Topic
      //consumer.subscribe("test.*");
      
      //3.轮询
      //消息轮询是消费者的核心API,通过一个简单的轮询向服务器请求数据,一旦消费者订阅了Topic,轮询就会处理所欲的细节,包括群组协调、partition再均衡、发送心跳
      //以及获取数据,开发者只要处理从partition返回的数据即可。
      try {
          while (true) {//消费者是一个长期运行的程序,通过持续轮询向Kafka请求数据。在其他线程中调用consumer.wakeup()可以退出循环
              //在100ms内等待Kafka的broker返回数据.超市参数指定poll在多久之后可以返回,不管有没有可用的数据都要返回
              ConsumerRecord<String, String> records = consumer.poll(100);
              for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                  log.debug(record.topic() + record.partition() + record.offset() + record.key() + record.value());
                  //统计各个地区的客户数量,即模拟对消息的处理
                  int updatedCount = 1;
                  updatedCount += custCountryMap.getOrDefault(record.value(), 0) + 1;
                  custCountryMap.put(record.value(), updatedCount);
                  
                  //真实场景中,结果一般会被保存到数据存储系统中
                  JSONObject json = new JSONObject(custCountryMap);
                  System.out.println(json.toString(4));
              }
          }
      } finally {
        //退出应用程序前使用close方法关闭消费者,网络连接和socket也会随之关闭,并立即触发一次再均衡
          consumer.close();
      }

(4)消费者的配置

1:fetch.min.bytes,指定消费者从broker获取消息的最小字节数,即等到有足够的数据时才把它返回给消费者

2:fetch.max.wait.ms,等待broker返回数据的最大时间,默认是500ms。fetch.min.bytes和fetch.max.wait.ms哪个条件先得到满足,就按照哪种方式返回数据

3:max.partition.fetch.bytes,指定broker从每个partition中返回给消费者的最大字节数,默认1MB

4:session.timeout.ms,指定消费者被认定死亡之前可以与服务器断开连接的时间,默认是3s

5:auto.offset.reset,消费者在读取一个没有偏移量或者偏移量无效的情况下(因为消费者长时间失效,包含偏移量的记录已经过时并被删除)该作何处理。默认是latest(消费者从最新的记录开始读取数据)。另一个值是                    earliest(消费者从起始位置读取partition的记录)

6:enable.auto.commit,指定消费者是否自动提交偏移量,默认为true

7:partition.assignment.strategy,指定partition如何分配给消费者,默认是Range。Range:把Topic的若干个连续的partition分配给消费者。RoundRobin:把Topic的所有partition逐个分配给消费者

8:max.poll.records,单次调用poll方法能够返回的消息数量

(5)提交和偏移量

1、消费者为什么要提交偏移量

当消费者崩溃或者有新的消费者加入,那么就会触发再均衡(rebalance),完成再均衡后,每个消费者可能会分配到新的分区,而不是之前处理那个,为了能够继续之前的工作,消费者需要读取每个partition最后一次提交的偏移量,然后从偏移量指定的地方继续处理。

2、提交偏移量可能带来的问题

case1:如果提交的偏移量小于客户端处理的最后一个消息的偏移量,那么处于两个偏移量之间的消息就会被重复处理

case2:如果提交的偏移量大于客户端处理的最后一个消息的偏移量,那么处于两个偏移量之间的消息将会丢失

 

 3、提交偏移量的方式

(1)自动提交 Automatic Commit

enable.auto.commit设置成true(默认为true),那么每过5s,消费者自动把从poll()方法接收到的最大的偏移量提交。提交的时间间隔由auto.commit.interval.ms控制,默认是5s

自动提交的优点是方便,但是可能会重复处理消息

(2)提交当前偏移量 Commit Current Offset

enable.auto.commit设置成false,让应用程序决定何时提交偏移量。commitSync()提交由poll()方法返回的最新偏移量,所以在处理完所有消息后要确保调用commitSync,否则会有消息丢失的风险。commitSync在提交成功或碰到无法恢复的错误之前,会一直重试。如果发生了再均衡,从最近一批消息到发生再均衡之间的所有消息都会被重复处理。

不足:broker在对提交请求作出回应之前,应用程序会一直阻塞,会限制应用程序的吞吐量

while (true) {
    ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);
    for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
        System.out.println("topic = %s, partition = %s, offset = %d,         
        customer = %s, country = %s\n", record.topic(),         
        record.partition(), record.offset(), record.key(), 
        record.value());
     }
    try {
        consumer.commitSync();//处理完当前批次的消息,在轮询更多的消息之前,调用commitSync方法提交当前批次最新的消息
    } catch (CommitFailedException e) {
        log.error("commit failed", e);//只要没有发生不可恢复的错误,commitSync方法会一直尝试直至提交成功。如果提交失败,我们也只能把异常记录到错误日志里
    }
}        

(3)异步提交

异步提交的commitAsync,只管发送提交请求,无需等待broker响应。commitAsync提交之后不进行重试,假设要提交偏移量2000,这时候发生短暂的通信问题,服务器接收不到提交请求,因此也就不会作出响应。与此同时,我们处理了另外一批消息,并成功提交了偏移量3000,。如果commitAsync重新尝试提交2000,那么它有可能在3000之后提交成功,这个时候如果发生再均衡,就会出现重复消息。

while (true) {
    ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);
    for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
        System.out.println("topic = %s, partition = %s, offset = %d,         
        customer = %s, country = %s\n", record.topic(),         
        record.partition(), record.offset(), record.key(), 
        record.value());
     }
     consumer.commitAsync(new OffsetCommitCallback() {//在broker作出响应后执行回调函数,回调经常被用于记录提交错误或生成度量指标
      public void onComplete(Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> offsets, Exception e) {
      if (e != null) {
        log.error("Commit Failed for offsets {}", offsets, e);
      }
     }});
}

(4)同步和异步组合提交

一般情况下,针对偶尔出现的提交失败,不进行重试不会有太大的问题,因为如果提交失败是因为临时问题导致的,那么后续的提交总会有成功的。但是如果在关闭消费者或再均衡前的最后一次提交,就要确保提交成功。

因此,消费者关闭之前一般会组合使用commitAsync和commitSync提交偏移量

try {
  while (true) {
      ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);
      for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
          System.out.println("topic = %s, partition = %s, offset = %d,         
          customer = %s, country = %s\n", record.topic(),         
          record.partition(), record.offset(), record.key(), 
          record.value());
       }
       consumer.commitAsync();//如果一切正常,我们使用commitAsync来提交,这样速度更快,而且即使这次提交失败,下次提交很可能会成功
} catch (CommitFailedException e) {
    log.error("commit failed", e);
} finally {
    try {
    consumer.commitSync();//关闭消费者前,使用commitSync,直到提交成成功或者发生无法恢复的错误
   } finally {
    consumer.close();
   }
}

(5)提交特定的偏移量

消费者API允许调用commitSync()和commitAsync()方法时传入希望提交的partition和offset的map,即提交特定的偏移量。

private Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> currentOffsets = new HashMap<>();//用于跟踪偏移量的map
int count = 0;
while (true) {
    ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);
    for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
        System.out.println("topic = %s, partition = %s, offset = %d,         
        customer = %s, country = %s\n", record.topic(),         
        record.partition(), record.offset(), record.key(), 
        record.value());//模拟对消息的处理
//在读取每条消息后,使用期望处理的下一个消息的偏移量更新map里的偏移量。下一次就从这里开始读取消息 currentOffsets.put(
new TopicPartition(record.topic(), record.partition()), new OffsetAndMetadata(record.offset() + 1, “no matadata”)); if (count++ % 1000 == 0) {//每处理1000条消息就提交一次偏移量,在实际应用中,可以根据时间或者消息的内容进行提交 consumer.commitAsync(currentOffsets, null); }
}
}

(6)再均衡监听器

在为消费者分配新的partition或者移除旧的partition时,可以通过消费者API执行一些应用程序代码,在使用subscribe()方法时传入一个ConsumerRebalanceListener实例。

ConsumerRebalanceListener需要实现的两个方法

1:public void onPartitionRevoked(Collection<TopicPartition> partitions)方法会在再均衡开始之前消费者停止读取消息之后被调用。如果在这里提交偏移量,下一个接管partition的消费者就知道该从哪里开始读取了。

2:public void onPartitionAssigned(Collection<TopicPartition> partitions)方法会在重新分配partition之后消费者开始读取消息之前被调用。

 

下面的例子演示如何在失去partition的所有权之前通过onPartitionRevoked()方法来提交偏移量。

private Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> currentOffsets = new HashMap<>();//用于跟踪偏移量的map

      private class HandleRebalance implements ConsumerRebalanceListener {
        @Override
        public void onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {
        }

        @Override
        public void onPartitionsRevoked(Collection<TopicPartition> partitions) {
        //如果发生再均衡,要在即将失去partition所有权时提交偏移量。
        //注意:(1)提交的是最近处理过的偏移量,而不是批次中还在处理的最后一个偏移量。因为partition有可能在我们还在处理消息时被撤回。
        //(2)我们要提交所有分区的偏移量,而不只是即将市区所有权的分区的偏移量。因为提交的偏移量是已经处理过的,所以不会有什么问题。
        //(3)调用commitSync方法,确保在再均衡发生之前提交偏移量
            consumer.commitSync(currentOffsets);
        }
      }
      try{
          consumer.subscribe(topics, new HandleRebalance());
          while (true) {
              ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100);
              for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                  System.out.println("topic = %s, partition = %s, offset = %d,         
                  customer = %s, country = %s\n", record.topic(),         
                  record.partition(), record.offset(), record.key(), 
                  record.value());//模拟对消息的处理
                  //在读取每条消息后,使用期望处理的下一个消息的偏移量更新map里的偏移量。下一次就从这里开始读取消息
                  currentOffsets.put(new TopicPartition(record.topic(), record.partition()), new OffsetAndMetadata(record.offset() + 1, “no matadata”));
              }
              consumer.commitAsync(currentOffsets, null);
      } catch(WakeupException e) {
          //忽略异常,正在关闭消费者
      } catch (Exception e) {
          log.error("unexpected error", e);
      } finally {
          try{
              consumer.commitSync(currentOffsets);
          } finally {
              consumer.close();
          }
      }

参考:《Kafka权威指南》

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