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Kafka消费组(consumer group)

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一直以来都想写一点关于kafka consumer的东西,特别是关于新版consumer的中文资料很少。最近Kafka社区邮件组已经在讨论是否应该正式使用新版本consumer替换老版本,笔者也觉得时机成熟了,于是写下这篇文章讨论并总结一下新版本consumer的些许设计理念,希望能把consumer这点事说清楚,从而对广大使用者有所帮助。

在开始之前,我想花一点时间先来明确一些概念和术语,这会极大地方便我们下面的讨论。另外请原谅这文章有点长,毕竟要讨论的东西很多,虽然已然删除了很多太过细节的东西。

一、 误区澄清与概念明确

1 Kafka的版本

很多人在Kafka中国社区(替群主做个宣传,QQ号:162272557)提问时的开头经常是这样的:“我使用的kafka版本是2.10/2.11, 现在碰到一个奇怪的问题。。。。” 无意冒犯,但这里的2.10/2.11不是kafka的版本,而是编译kafka的Scala版本。Kafka的server端代码是由Scala语言编写的,目前Scala主流的3个版本分别是2.10、2.11和2.12。实际上Kafka现在每个PULL request都已经自动增加了这三个版本的检查。下图是我的一个PULL request,可以看到这个fix会同时使用3个scala版本做编译检查:

目前广泛使用kafka的版本应该是这三个大版本:0.8.x, 0.9.x和0.10.* 。 这三个版本对于consumer和consumer group来说都有很大的变化,我们后面会详谈。

2 新版本 VS 老版本

“我的kafkaoffsetmonitor为什么无法监控到offset了?”——这是我在Kafka中国社区见到最多的问题,没有之一!实际上,Kafka 0.9开始提供了新版本的consumer及consumer group,位移的管理与保存机制发生了很大的变化——新版本consumer默认将不再保存位移到zookeeper中,而目前kafkaoffsetmonitor还没有应对这种变化(虽然已经有很多人在要求他们改了,详见https://github.com/quantifind/KafkaOffsetMonitor/issues/79),所以很有可能是因为你使用了新版本的consumer才无法看到的。关于新旧版本,这里统一说明一下:kafka0.9以前的consumer是使用Scala编写的,包名结构是kafka.consumer.*,分为high-level consumer和low-level consumer两种。我们熟知的ConsumerConnector、ZookeeperConsumerConnector以及SimpleConsumer就是这个版本提供的;自0.9版本开始,Kafka提供了java版本的consumer,包名结构是o.a.k.clients.consumer.*,熟知的类包括KafkaConsumer和ConsumerRecord等。新版本的consumer可以单独部署,不再需要依赖server端的代码。

二、消费者组 (Consumer Group)

1 什么是消费者组

其实对于这些基本概念的普及,网上资料实在太多了。我本不应该再画蛇添足了,但为了本文的完整性,我还是要花一些篇幅来重谈consumer group,至少可以说说我的理解。值得一提的是,由于我们今天基本上只探讨consumer group,对于单独的消费者不做过多讨论。

什么是consumer group? 一言以蔽之,consumer group是kafka提供的可扩展且具有容错性的消费者机制。既然是一个组,那么组内必然可以有多个消费者或消费者实例(consumer instance),它们共享一个公共的ID,即group ID。组内的所有消费者协调在一起来消费订阅主题(subscribed topics)的所有分区(partition)。当然,每个分区只能由同一个消费组内的一个consumer来消费。(网上文章中说到此处各种炫目多彩的图就会紧跟着抛出来,我这里就不画了,请原谅)。个人认为,理解consumer group记住下面这三个特性就好了:

  • consumer group下可以有一个或多个consumer instance,consumer instance可以是一个进程,也可以是一个线程
  • group.id是一个字符串,唯一标识一个consumer group
  • consumer group下订阅的topic下的每个分区只能分配给某个group下的一个consumer(当然该分区还可以被分配给其他group)

2 消费者位置(consumer position) 

消费者在消费的过程中需要记录自己消费了多少数据,即消费位置信息。在Kafka中这个位置信息有个专门的术语:位移(offset)。很多消息引擎都把这部分信息保存在服务器端(broker端)。这样做的好处当然是实现简单,但会有三个主要的问题:1. broker从此变成有状态的,会影响伸缩性;2. 需要引入应答机制(acknowledgement)来确认消费成功。3. 由于要保存很多consumer的offset信息,必然引入复杂的数据结构,造成资源浪费。而Kafka选择了不同的方式:每个consumer group保存自己的位移信息,那么只需要简单的一个整数表示位置就够了;同时可以引入checkpoint机制定期持久化,简化了应答机制的实现。

3 位移管理(offset management)

3.1 自动VS手动

Kafka默认是定期帮你自动提交位移的(enable.auto.commit = true),你当然可以选择手动提交位移实现自己控制。另外kafka会定期把group消费情况保存起来,做成一个offset map,如下图所示:

上图中表明了test-group这个组当前的消费情况。

3.2 位移提交

老版本的位移是提交到zookeeper中的,图就不画了,总之目录结构是:/consumers/<group.id>/offsets/<topic>/<partitionId>,但是zookeeper其实并不适合进行大批量的读写操作,尤其是写操作。因此kafka提供了另一种解决方案:增加__consumeroffsets topic,将offset信息写入这个topic,摆脱对zookeeper的依赖(指保存offset这件事情)。__consumer_offsets中的消息保存了每个consumer group某一时刻提交的offset信息。依然以上图中的consumer group为例,格式大概如下:

__consumers_offsets topic配置了compact策略,使得它总是能够保存最新的位移信息,既控制了该topic总体的日志容量,也能实现保存最新offset的目的。compact的具体原理请参见:Log Compaction

至于每个group保存到__consumers_offsets的哪个分区,如何查看的问题请参见这篇文章:Kafka 如何读取offset topic内容 (__consumer_offsets)

4 Rebalance

4.1 什么是rebalance?

rebalance本质上是一种协议,规定了一个consumer group下的所有consumer如何达成一致来分配订阅topic的每个分区。比如某个group下有20个consumer,它订阅了一个具有100个分区的topic。正常情况下,Kafka平均会为每个consumer分配5个分区。这个分配的过程就叫rebalance。

4.2 什么时候rebalance?

这也是经常被提及的一个问题。rebalance的触发条件有三种:

  • 组成员发生变更(新consumer加入组、已有consumer主动离开组或已有consumer崩溃了——这两者的区别后面会谈到)
  • 订阅主题数发生变更——这当然是可能的,如果你使用了正则表达式的方式进行订阅,那么新建匹配正则表达式的topic就会触发rebalance
  • 订阅主题的分区数发生变更

4.3 如何进行组内分区分配?

之前提到了group下的所有consumer都会协调在一起共同参与分配,这是如何完成的?Kafka新版本consumer默认提供了两种分配策略:range和round-robin。当然Kafka采用了可插拔式的分配策略,你可以创建自己的分配器以实现不同的分配策略。实际上,由于目前range和round-robin两种分配器都有一些弊端,Kafka社区已经提出第三种分配器来实现更加公平的分配策略,只是目前还在开发中。我们这里只需要知道consumer group默认已经帮我们把订阅topic的分区分配工作做好了就行了。

简单举个例子,假设目前某个consumer group下有两个consumer: A和B,当第三个成员加入时,kafka会触发rebalance并根据默认的分配策略重新为A、B和C分配分区,如下图所示:

4.4 谁来执行rebalance和consumer group管理?

Kafka提供了一个角色:coordinator来执行对于consumer group的管理。坦率说kafka对于coordinator的设计与修改是一个很长的故事。最新版本的coordinator也与最初的设计有了很大的不同。这里我只想提及两次比较大的改变。

首先是0.8版本的coordinator,那时候的coordinator是依赖zookeeper来实现对于consumer group的管理的。Coordinator监听zookeeper的/consumers/<group>/ids的子节点变化以及/brokers/topics/<topic>数据变化来判断是否需要进行rebalance。group下的每个consumer都自己决定要消费哪些分区,并把自己的决定抢先在zookeeper中的/consumers/<group>/owners/<topic>/<partition>下注册。很明显,这种方案要依赖于zookeeper的帮助,而且每个consumer是单独做决定的,没有那种“大家属于一个组,要协商做事情”的精神。

基于这些潜在的弊端,0.9版本的kafka改进了coordinator的设计,提出了group coordinator——每个consumer group都会被分配一个这样的coordinator用于组管理和位移管理。这个group coordinator比原来承担了更多的责任,比如组成员管理、位移提交保护机制等。当新版本consumer group的第一个consumer启动的时候,它会去和kafka server确定谁是它们组的coordinator。之后该group内的所有成员都会和该coordinator进行协调通信。显而易见,这种coordinator设计不再需要zookeeper了,性能上可以得到很大的提升。后面的所有部分我们都将讨论最新版本的coordinator设计。

4.5 如何确定coordinator?

上面简单讨论了新版coordinator的设计,那么consumer group如何确定自己的coordinator是谁呢? 简单来说分为两步:

  • 确定consumer group位移信息写入__consumers_offsets的哪个分区。具体计算公式:
    •   __consumers_offsets partition# = Math.abs(groupId.hashCode() % groupMetadataTopicPartitionCount)   注意:groupMetadataTopicPartitionCount由offsets.topic.num.partitions指定,默认是50个分区。
  • 该分区leader所在的broker就是被选定的coordinator

4.6 Rebalance Generation

JVM GC的分代收集就是这个词(严格来说是generational),我这里把它翻译成“届”好了,它表示了rebalance之后的一届成员,主要是用于保护consumer group,隔离无效offset提交的。比如上一届的consumer成员是无法提交位移到新一届的consumer group中。我们有时候可以看到ILLEGAL_GENERATION的错误,就是kafka在抱怨这件事情。每次group进行rebalance之后,generation号都会加1,表示group进入到了一个新的版本,如下图所示: Generation 1时group有3个成员,随后成员2退出组,coordinator触发rebalance,consumer group进入Generation 2,之后成员4加入,再次触发rebalance,group进入Generation 3.

4.7 协议(protocol)

前面说过了, rebalance本质上是一组协议。group与coordinator共同使用它来完成group的rebalance。目前kafka提供了5个协议来处理与consumer group coordination相关的问题:

  • Heartbeat请求:consumer需要定期给coordinator发送心跳来表明自己还活着
  • LeaveGroup请求:主动告诉coordinator我要离开consumer group
  • SyncGroup请求:group leader把分配方案告诉组内所有成员
  • JoinGroup请求:成员请求加入组
  • DescribeGroup请求:显示组的所有信息,包括成员信息,协议名称,分配方案,订阅信息等。通常该请求是给管理员使用

Coordinator在rebalance的时候主要用到了前面4种请求。4.8 liveness

consumer如何向coordinator证明自己还活着? 通过定时向coordinator发送Heartbeat请求。如果超过了设定的超时时间,那么coordinator就认为这个consumer已经挂了。一旦coordinator认为某个consumer挂了,那么它就会开启新一轮rebalance,并且在当前其他consumer的心跳response中添加“REBALANCE_IN_PROGRESS”,告诉其他consumer:不好意思各位,你们重新申请加入组吧!

4.9 Rebalance过程

终于说到consumer group执行rebalance的具体流程了。很多用户估计对consumer内部的工作机制也很感兴趣。下面就跟大家一起讨论一下。当然我必须要明确表示,rebalance的前提是coordinator已经确定了。

总体而言,rebalance分为2步:Join和Sync

1 Join, 顾名思义就是加入组。这一步中,所有成员都向coordinator发送JoinGroup请求,请求入组。一旦所有成员都发送了JoinGroup请求,coordinator会从中选择一个consumer担任leader的角色,并把组成员信息以及订阅信息发给leader——注意leader和coordinator不是一个概念。leader负责消费分配方案的制定。

2 Sync,这一步leader开始分配消费方案,即哪个consumer负责消费哪些topic的哪些partition。一旦完成分配,leader会将这个方案封装进SyncGroup请求中发给coordinator,非leader也会发SyncGroup请求,只是内容为空。coordinator接收到分配方案之后会把方案塞进SyncGroup的response中发给各个consumer。这样组内的所有成员就都知道自己应该消费哪些分区了。

还是拿几张图来说明吧,首先是加入组的过程:

值得注意的是, 在coordinator收集到所有成员请求前,它会把已收到请求放入一个叫purgatory(炼狱)的地方。记得国内有篇文章以此来证明kafka开发人员都是很有文艺范的,写得也是比较有趣,有兴趣可以去搜搜。然后是分发分配方案的过程,即SyncGroup请求:

注意!! consumer group的分区分配方案是在客户端执行的!Kafka将这个权利下放给客户端主要是因为这样做可以有更好的灵活性。比如这种机制下我可以实现类似于Hadoop那样的机架感知(rack-aware)分配方案,即为consumer挑选同一个机架下的分区数据,减少网络传输的开销。Kafka默认为你提供了两种分配策略:range和round-robin。由于这不是本文的重点,这里就不再详细展开了,你只需要记住你可以覆盖consumer的参数:partition.assignment.strategy来实现自己分配策略就好了。

4.10 consumer group状态机

和很多kafka组件一样,group也做了个状态机来表明组状态的流转。coordinator根据这个状态机会对consumer group做不同的处理,如下图所示(完全是根据代码注释手动画的,多见谅吧)

简单说明下图中的各个状态:

  • Dead:组内已经没有任何成员的最终状态,组的元数据也已经被coordinator移除了。这种状态响应各种请求都是一个response: UNKNOWN_MEMBER_ID
  • Empty:组内无成员,但是位移信息还没有过期。这种状态只能响应JoinGroup请求
  • PreparingRebalance:组准备开启新的rebalance,等待成员加入
  • AwaitingSync:正在等待leader consumer将分配方案传给各个成员
  • Stable:rebalance完成!可以开始消费了~

至于各个状态之间的流程条件以及action,这里就不具体展开了。

三、rebalance场景剖析

上面详细阐述了consumer group是如何执行rebalance的,可能依然有些云里雾里。这部分对其中的三个重要的场景做详尽的时序展开,进一步加深consumer group的内部原理。由于图比较直观,所有的描述都将以图的方式给出。

1 新成员加入组(member join) 

2 组成员崩溃(member failure)

前面说过了,组成员崩溃和组成员主动离开是两个不同的场景。因为在崩溃时成员并不会主动地告知coordinator此事,coordinator有可能需要一个完整的session.timeout周期才能检测到这种崩溃,这必然会造成consumer的滞后。可以说离开组是主动地发起rebalance;而崩溃则是被动地发起rebalance。okay,直接上图: 

3 组成员主动离组(member leave group)

4 提交位移(member commit offset)

总结一下,本文着重讨论了一下新版本的consumer group的内部设计原理,特别是consumer group与coordinator之间的交互过程,希望对各位有所帮助。 

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