Kafka网络模型

Stella981
• 阅读 491

Kafka网络模型

摘要:很多人喜欢把RocketMQ与Kafka做对比,其实这两款消息队列的网络通信层还是比较相似的,本文就为大家简要地介绍下Kafka的NIO网络通信模型,通过对Kafka源码的分析来简述其Reactor的多线程网络通信模型和总体框架结构,同时简要介绍Kafka网络通信层的设计与具体实现。

一、Kafka网络通信模型的整体框架概述

Kafka的网络通信模型是基于NIO的Reactor多线程模型来设计的。这里先引用Kafka源码中注释的一段话:

Kafka网络模型

相信大家看了上面的这段引文注释后,大致可以了解到Kafka的网络通信层模型,主要采用了 1(1个Acceptor线程)+N(N个Processor线程)+M(M个业务处理线程) 。下面的表格简要的列举了下(这里先简单的看下后面还会详细说明):

线程数线程名线程具体说明1kafka-socket-acceptor_%xAcceptor线程,负责监听Client端发起的请求Nkafka-network-thread_%dProcessor线程,负责对Socket进行读写Mkafka-request-handler-_%dWorker线程,处理具体的业务逻辑并生成Response返回

Kafka网络通信层的完整框架图如下图所示:

Kafka网络模型

Kafka消息队列的通信层模型—1+N+M模型.png

刚开始看到上面的这个框架图可能会有一些不太理解,并不要紧,这里可以先对Kafka的网络通信层框架结构有一个大致了解。本文后面会结合Kafka的部分重要源码来详细阐述上面的过程。这里可以简单总结一下其网络通信模型中的几个重要概念:

(1), Acceptor :1个接收线程,负责监听新的连接请求,同时注册OP_ACCEPT 事件,将新的连接按照 "round robin" 方式交给对应的 Processor 线程处理;

(2), Processor :N个处理器线程,其中每个 Processor 都有自己的 selector,它会向 Acceptor 分配的 SocketChannel 注册相应的 OP_READ 事件,N 的大小由 “num.networker.threads” 决定;

(3), KafkaRequestHandler :M个请求处理线程,包含在线程池—KafkaRequestHandlerPool内部,从RequestChannel的全局请求队列—requestQueue中获取请求数据并交给KafkaApis处理,M的大小由 “num.io.threads” 决定;

(4), RequestChannel :其为Kafka服务端的请求通道,该数据结构中包含了一个全局的请求队列 requestQueue和多个与Processor处理器相对应的响应队列responseQueue,提供给Processor与请求处理线程KafkaRequestHandler和KafkaApis交换数据的地方。

(5), NetworkClient :其底层是对 Java NIO 进行相应的封装,位于Kafka的网络接口层。Kafka消息生产者对象—KafkaProducer的send方法主要调用NetworkClient完成消息发送;

(6), SocketServer :其是一个NIO的服务,它同时启动一个Acceptor接收线程和多个Processor处理器线程。提供了一种典型的Reactor多线程模式,将接收客户端请求和处理请求相分离;

(7), KafkaServer :代表了一个Kafka Broker的实例;其startup方法为实例启动的入口;

(8), KafkaApis :Kafka的业务逻辑处理Api,负责处理不同类型的请求;比如 “发送消息”、 “获取消息偏移量—offset” 和 “处理心跳请求” 等;

二、Kafka网络通信层的设计与具体实现

这一节将结合Kafka网络通信层的源码来分析其设计与实现,这里主要详细介绍网络通信层的几个重要元素—SocketServer、Acceptor、Processor、RequestChannel和KafkaRequestHandler。本文分析的源码部分均基于Kafka的0.11.0版本。

1、SocketServer

SocketServer是接收客户端Socket请求连接、处理请求并返回处理结果的核心类,Acceptor及Processor的初始化、处理逻辑都是在这里实现的。在KafkaServer实例启动时会调用其startup的初始化方法,会初始化1个 Acceptor和N个Processor线程(每个EndPoint都会初始化,一般来说一个Server只会设置一个端口),其实现如下:

Kafka网络模型

2、Acceptor

Acceptor是一个继承自抽象类AbstractServerThread的线程类。Acceptor的主要任务是监听并且接收客户端的请求,同时建立数据传输通道—SocketChannel,然后以轮询的方式交给一个后端的Processor线程处理(具体的方式是添加socketChannel至并发队列并唤醒Processor线程处理)。

在该线程类中主要可以关注以下两个重要的变量:

(1), nioSelector :通过NSelector.open()方法创建的变量,封装了JAVA NIO Selector的相关操作;

(2), serverChannel :用于监听端口的服务端Socket套接字对象;

下面来看下Acceptor主要的run方法的源码:

Kafka网络模型

在上面源码中可以看到,Acceptor线程启动后,首先会向用于监听端口的服务端套接字对象—ServerSocketChannel上注册OP_ACCEPT 事件。然后以轮询的方式等待所关注的事件发生。如果该事件发生,则调用accept()方法对OP_ACCEPT事件进行处理。这里,Processor是通过 round robin 方法选择的,这样可以保证后面多个Processor线程的负载基本均匀。

Acceptor的accept()方法的作用主要如下:

(1)通过SelectionKey取得与之对应的serverSocketChannel实例,并调用它的accept()方法与客户端建立连接;

(2)调用connectionQuotas.inc()方法增加连接统计计数;并同时设置第(1)步中创建返回的socketChannel属性(如sendBufferSize、KeepAlive、TcpNoDelay、configureBlocking等)

(3)将socketChannel交给processor.accept()方法进行处理。这里主要是将socketChannel加入Processor处理器的并发队列newConnections队列中,然后唤醒Processor线程从队列中获取socketChannel并处理。其中,newConnections会被Acceptor线程和Processor线程并发访问操作,所以newConnections是ConcurrentLinkedQueue队列(一个基于链接节点的无界线程安全队列)

3、Processor

Processor同Acceptor一样,也是一个线程类,继承了抽象类AbstractServerThread。其主要是从客户端的请求中读取数据和将KafkaRequestHandler处理完响应结果返回给客户端。在该线程类中主要关注以下几个重要的变量:

(1), newConnections :在上面的 Acceptor 一节中已经提到过,它是一种ConcurrentLinkedQueue[SocketChannel]类型的队列,用于保存新连接交由Processor处理的socketChannel;

(2), inflightResponses :是一个Map[String, RequestChannel.Response]类型的集合,用于记录尚未发送的响应;

(3), selector :是一个类型为KSelector变量,用于管理网络连接;

下面先给出Processor处理器线程run方法执行的流程图:

Kafka网络模型

Kafk_Processor线程的处理流程图.png

从上面的流程图中能够可以看出Processor处理器线程在其主流程中主要完成了这样子几步操作:

(1), 处理newConnections队列中的socketChannel 。遍历取出队列中的每个socketChannel并将其在selector上注册OP_READ事件;

(2), 处理RequestChannel中与当前Processor对应响应队列中的Response 。在这一步中会根据responseAction的类型(NoOpAction/SendAction/CloseConnectionAction)进行判断,若为“NoOpAction”,表示该连接对应的请求无需响应;若为“SendAction”,表示该Response需要发送给客户端,则会通过“selector.send”注册OP_WRITE事件,并且将该Response从responseQueue响应队列中移至inflightResponses集合中;“CloseConnectionAction”,表示该连接是要关闭的;

(3), 调用selector.poll()方法进行处理 。该方法底层即为调用nioSelector.select()方法进行处理。

(4), 处理已接受完成的数据包队列—completedReceives 。在processCompletedReceives方法中调用“requestChannel.sendRequest”方法将请求Request添加至requestChannel的全局请求队列—requestQueue中,等待KafkaRequestHandler来处理。同时,调用“selector.mute”方法取消与该请求对应的连接通道上的OP_READ事件;

(5), 处理已发送完的队列—completedSends 。当已经完成将response发送给客户端,则将其从inflightResponses移除,同时通过调用“selector.unmute”方法为对应的连接通道重新注册OP_READ事件;

(6), 处理断开连接的队列 。将该response从inflightResponses集合中移除,同时将connectionQuotas统计计数减1;

4、RequestChannel

在Kafka的网络通信层中,RequestChannel为Processor处理器线程与KafkaRequestHandler线程之间的数据交换提供了一个数据缓冲区,是通信过程中Request和Response缓存的地方。因此,其作用就是在通信中起到了一个数据缓冲队列的作用。Processor线程将读取到的请求添加至RequestChannel的全局请求队列—requestQueue中;KafkaRequestHandler线程从请求队列中获取并处理,处理完以后将Response添加至RequestChannel的响应队列—responseQueue中,并通过responseListeners唤醒对应的Processor线程,最后Processor线程从响应队列中取出后发送至客户端。

5、KafkaRequestHandler

KafkaRequestHandler也是一种线程类,在KafkaServer实例启动时候会实例化一个线程池—KafkaRequestHandlerPool对象(包含了若干个KafkaRequestHandler线程),这些线程以守护线程的方式在后台运行。在KafkaRequestHandler的run方法中会循环地从RequestChannel中阻塞式读取request,读取后再交由KafkaApis来具体处理。

6、KafkaApis

KafkaApis是用于处理对通信网络传输过来的业务消息请求的中心转发组件。该组件反映出Kafka Broker Server可以提供哪些服务。

三、总结

仔细阅读Kafka的NIO网络通信层的源码过程中还是可以收获不少关于NIO网络通信模块的关键技术。Apache的任何一款开源中间件都有其设计独到之处,值得借鉴和学习。对于任何一位使用Kafka这款分布式消息队列的同学来说,如果能够在一定实践的基础上,再通过阅读其源码能起到更为深入理解的效果,对于大规模Kafka集群的性能调优和问题定位都大有裨益。

对于刚接触Kafka的同学来说,想要自己掌握其NIO网络通信层模型的关键设计,还需要不断地使用本地环境进行debug调试和阅读源码反复思考。个人认为对于一个快速迭代的产品,还是用netty比较好。

转载自:https://my.oschina.net/u/3573545/blog/2221656

点赞
收藏
评论区
推荐文章
blmius blmius
2年前
MySQL:[Err] 1292 - Incorrect datetime value: ‘0000-00-00 00:00:00‘ for column ‘CREATE_TIME‘ at row 1
文章目录问题用navicat导入数据时,报错:原因这是因为当前的MySQL不支持datetime为0的情况。解决修改sql\mode:sql\mode:SQLMode定义了MySQL应支持的SQL语法、数据校验等,这样可以更容易地在不同的环境中使用MySQL。全局s
Jacquelyn38 Jacquelyn38
3年前
2020年前端实用代码段,为你的工作保驾护航
有空的时候,自己总结了几个代码段,在开发中也经常使用,谢谢。1、使用解构获取json数据let jsonData  id: 1,status: "OK",data: 'a', 'b';let  id, status, data: number   jsonData;console.log(id, status, number )
皕杰报表之UUID
​在我们用皕杰报表工具设计填报报表时,如何在新增行里自动增加id呢?能新增整数排序id吗?目前可以在新增行里自动增加id,但只能用uuid函数增加UUID编码,不能新增整数排序id。uuid函数说明:获取一个UUID,可以在填报表中用来创建数据ID语法:uuid()或uuid(sep)参数说明:sep布尔值,生成的uuid中是否包含分隔符'',缺省为
Stella981 Stella981
2年前
Opencv中Mat矩阵相乘——点乘、dot、mul运算详解
Opencv中Mat矩阵相乘——点乘、dot、mul运算详解2016年09月02日00:00:36 \牧野(https://www.oschina.net/action/GoToLink?urlhttps%3A%2F%2Fme.csdn.net%2Fdcrmg) 阅读数:59593
Stella981 Stella981
2年前
KVM调整cpu和内存
一.修改kvm虚拟机的配置1、virsheditcentos7找到“memory”和“vcpu”标签,将<namecentos7</name<uuid2220a6d1a36a4fbb8523e078b3dfe795</uuid
Easter79 Easter79
2年前
Twitter的分布式自增ID算法snowflake (Java版)
概述分布式系统中,有一些需要使用全局唯一ID的场景,这种时候为了防止ID冲突可以使用36位的UUID,但是UUID有一些缺点,首先他相对比较长,另外UUID一般是无序的。有些时候我们希望能使用一种简单一些的ID,并且希望ID能够按照时间有序生成。而twitter的snowflake解决了这种需求,最初Twitter把存储系统从MySQL迁移
Wesley13 Wesley13
2年前
mysql设置时区
mysql设置时区mysql\_query("SETtime\_zone'8:00'")ordie('时区设置失败,请联系管理员!');中国在东8区所以加8方法二:selectcount(user\_id)asdevice,CONVERT\_TZ(FROM\_UNIXTIME(reg\_time),'08:00','0
Wesley13 Wesley13
2年前
00:Java简单了解
浅谈Java之概述Java是SUN(StanfordUniversityNetwork),斯坦福大学网络公司)1995年推出的一门高级编程语言。Java是一种面向Internet的编程语言。随着Java技术在web方面的不断成熟,已经成为Web应用程序的首选开发语言。Java是简单易学,完全面向对象,安全可靠,与平台无关的编程语言。
Stella981 Stella981
2年前
Django中Admin中的一些参数配置
设置在列表中显示的字段,id为django模型默认的主键list_display('id','name','sex','profession','email','qq','phone','status','create_time')设置在列表可编辑字段list_editable
Wesley13 Wesley13
2年前
MySQL部分从库上面因为大量的临时表tmp_table造成慢查询
背景描述Time:20190124T00:08:14.70572408:00User@Host:@Id:Schema:sentrymetaLast_errno:0Killed:0Query_time:0.315758Lock_
Python进阶者 Python进阶者
4个月前
Excel中这日期老是出来00:00:00,怎么用Pandas把这个去除
大家好,我是皮皮。一、前言前几天在Python白银交流群【上海新年人】问了一个Pandas数据筛选的问题。问题如下:这日期老是出来00:00:00,怎么把这个去除。二、实现过程后来【论草莓如何成为冻干莓】给了一个思路和代码如下:pd.toexcel之前把这