Kafka 探险 - 生产者源码分析: 核心组件

这个 Kafka 的专题，我会从系统整体架构，设计到代码落地。和大家一起杠源码，学技巧，涨知识。希望大家持续关注一起见证成长！

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前言

我们说 Kafka 是一个消息队列，其实更加确切的说：是 Broker 这个核心部件。为何这么说？你会发现我们可以通过控制台、 Java 代码、 C++ 代码、甚至是 Socket 向 Broker 写入消息，只要我们遵从了 Kafka 写入消息的协议，就可以将消息发送到 Kafka 队列中。

用专业一点的话术来说，Kafka 定义了一个应用层的网络协议，只要我们基于传输层构造出符合这个协议的数据，就是合法的 Kafka 消息。

所以说我们写入 Kafka 消息的只是一个生产者的客户端，他的形式多种多样，有 Java ，Python，C++ 等多种实现，那么我们每次发消息难道还需要自己去实现这套发送消息的协议么？显然 Kafka 官方已经考虑到这个问题了，为了给我们提供 开箱即用 的消息队列，官方已经帮我们写好了各种语言的优质生产者实现，例如我们今天要讨论的 Java 版本的实现。

思考

前面提到 Kafka 帮我们实现了各个版本的生产者代码，其实他也可以完全不提供这份代码，因为核心的队列的功能已经实现了，这些客户端的代码也可以完全交由用户自己实现。

那么假如没有官方代码，我们又该实现一些什么功能，有哪些接口，哪些方法，以及如何组织这些代码呢。带着这样的问题我们一起来思考一下！一般对于这种带有数据流转的设计，我会从 由谁产生？ 什么数据？ 通往哪去？ 如何保证通路可靠？ 这几个方面来考虑。

消息自然是通过应用程序构造出来并提供给生产者，生产者首先要知道需要将消息发送到哪个 Broker 的哪个 Topic，以及 Topic 的具体 Partition 。那么必然需要配置客户端的 Broker集群地址 ，需要发送的 Topic 名称 ，以及 消息的分区策略 ，是指定到具体的分区还是通过某个 key hash 到不同的分区。

知道了消息要通往哪，还需要知道发送的是什么格式的消息，是字符串还是数字或是被序列化的二进制对象。 消息序列化 将需要消息序列化成字节数组才方便在网络上传输，所以要配置生产者的消息序列化策略，最好是可以通过传递枚举或者类名的方式自动构造序列化器，便于后续序列化过程的扩展。

从上面一篇文章《Kafka 探险 - 架构简介》了解到：消息队列常常用于多个系统之间的异步调用，那么这种调用关系就没有强实时依赖。由于发消息到 Kafka 会产生 网络 I/O ，相对来说比较耗时，那么消息发送这一动作除了同步调用， 是否也可以设置为异步，提高生产者的吞吐呢? 。并且大量消息发送场景, 我们可以设置一个窗口，窗口可以是时间维度也可以是消息数量维度，将消息积攒起来批次发送，减少网络 I/O 次数，提高吞吐量。

最后呢为了保证消息可以最大程度的成功发送到 Broker ，我们还需要一些 失败重试机制 ，例如失败后放到重试队列中，隔一段时间尝试再次发送。

理清思路

通过上面的分析，我们会有一个大致的认识，应该会有哪些方法，以及底层的大致的设计会分为哪几个部分。但是不够清楚，不够明晰。

首先总结一下实现客户端的几个要点在于：

配置 Broker 基础信息：集群地址、Topic、Partition
消息序列化，通过可扩展的序列化器实现
消息异步写入缓冲区，网络 I/O 线程实现消息发送
消息发送的失败重试机制

话不多说，用一张图画出各个核心模块以及他们之间的交互顺序：

用户设定 Kafka 集群信息，生产者从 Kafka Broker 上拉取可用 Kafka 节点、Topic 以及 Partition 对应关系。缓存到生产者成员变量中，如果 Broker 集群有扩容，或者有机器下线需要重新获取这些服务信息。

客户端根据用户设置的序列化器，对消息进行序列化，之后异步的将消息写入到客户端缓冲区。缓冲区内的消息到达一定的数量或者到达一个时间窗口后，网络 I/O 线程将消息从缓冲区取走，发送到 Broker 。

以上就是我对于一个 Kafka 生产者实现的思考，接下来看看官方的代码设计与我们的思路有何差别，他又是为什么这么设计。

官方设计

其实经过上面的思考和整理，我们的设计已经非常接近 Kafka 的官方设计了，官方的模块拆分的更加细致，功能更加独立。

核心组件

首先看一眼 KafkaProducer 类中有哪些成员变量，这些变量就是 Producer 的核心组件。

其中核心字段的解释如下：

clinetId ：标识发送者Id

metric ：统计指标

partitioner ：分区器作用是决定消息发到哪个分区。有 key 则按照 key 的 hash ，否则使用 roundrobin

key/value Serializer ：消息 key/value 序列化器

interceptors ：发送之前/后对消息的统一处理

maxRequestSize ：可以发送的最大消息，默认值是1M，即影响一个消息 Record 的大小，此值在服务端也是有限制的。

maxBlockTimeMs ：buffer满了或者等待metadata信息的，超时的补偿机制

accumulator ：累积缓冲器

networkClient ：包装的网络层

sender ：网络 I/O 线程

发送流程

发送一条消息的时候，数据又是怎样在这些组件之间进行流转的呢？

Producer调用 send 方法后，在从 Broker 获取的 Metadata 有效情况下，经过拦截器和序列化后，被分区器放到了一个缓冲区的特定位置，缓冲区由一个 ConcurrentHashMap 构成，key 为主题分区，value 是一个 deque 存放消息缓存块。从客户端角度来看如果无需关心发送结果，发送流程就已经结束了。

接下来是独立的Sender线程负责从缓冲中获取足量的数据调用 Network Client 封装层去真正发送数据，这里使用了 Java8 的 NIO 网络模型发送数据。

可以看到整个逻辑的关键点在于 RecordAccumulator 如何进行消息缓存，一般的成熟框架和中间件中都会有一套自己的内存管理机制，比如 Netty 也有一套复杂而又精妙的内存管理抽象层，这里的缓冲区也是一样的道理，主要需要去看看 Kafka 如何去做内存管理。

另外需要关注 Sender 从缓冲里以什么样的逻辑获取数据，来达到尽量少的网络交互发送尽量多的数据。还有网络失败又是如何保证数据的可靠性的。这个地方也是我们的设计和官方实现的差距，对于网络 I/O 的精心优化。

目前的篇幅已经比较长了，为了大家方便阅读理解，本篇主要从和大家一起思考如何设计一个 Kafka Producer 以及官方是如何实现的，我们之间的差距是什么，更需要关注的点是什么。通过自己的思考和对比更加能认识到不足学习到新的点！

尾声（唠叨）

这篇文章从周内就开始了，后面断断续续每天写了点，只是每天回去的确实有点晚，偶尔还给我整个失眠，精神状态不太好，周五六点多饭都没吃直接回家睡觉了，确实好困，希望下周能休息好。

这周的工作压力也很大，主要是需要推动很多上下游协同，还需要定方案。经常在想怎么交涉？怎么修改方案大家会认同？怎样说服他们？是压力也是锻炼，说明这方面欠缺的较多，该补！

下篇文章主要会写 KafkaProducer 的缓存内存管理机制，Meta 信息更新机制，以及网络 I/O 模型的设计。敬请期待~

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