Kafka日志段读写分析

引子

之所以写这篇文章是因为之前面试时候被面试官问到(倒)了，面试官说：“你说你对Kafka比较熟？看过源码? 那说说kafka日志段如何读写的吧？”

我心里默默的说了句 “擦...我说看过一点点源码，不是亿点点。早知道不提这句了！”，那怎么办呢，只能回家等通知了啊。

但是为了以后找回场子，咱也不能坐以待毙，日拱一卒从一点点到亿点点。今天我们就来看看源码层面来Kafka日志段的是如何读写的。

Kafka的存储结构

总所周知，Kafka的Topic可以有多个分区，分区其实就是最小的读取和存储结构，即Consumer看似订阅的是Topic，实则是从Topic下的某个分区获得消息，Producer也是发送消息也是如此。

上图是总体逻辑上的关系，映射到实际代码中在磁盘上的关系则是如下图所示：

每个分区对应一个Log对象，在磁盘中就是一个子目录，子目录下面会有多组日志段即多Log Segment，每组日志段包含：消息日志文件(以log结尾)、位移索引文件(以index结尾)、时间戳索引文件(以timeindex结尾)。其实还有其它后缀的文件，例如.txnindex、.deleted等等。篇幅有限，暂不提起。

以下为日志的定义

以下为日志段的定义

indexIntervalBytes可以理解为插了多少消息之后再建一个索引，由此可以看出Kafka的索引其实是稀疏索引，这样可以避免索引文件占用过多的内存，从而可以在内存中保存更多的索引。对应的就是Broker 端参数 log.index.interval.bytes 值，默认4KB。

实际的通过索引查找消息过程是先通过offset找到索引所在的文件，然后通过二分法找到离目标最近的索引，再顺序遍历消息文件找到目标文件。这波操作时间复杂度为O(log2n)+O(m),n是索引文件里索引的个数，m为稀疏程度。

这就是空间和时间的互换，又经过数据结构与算法的平衡，妙啊！

再说下rollJitterMs,这其实是个扰动值，对应的参数是log.roll.jitter.ms,这其实就要说到日志段的切分了，log.segment.bytes,这个参数控制着日志段文件的大小，默认是1G，即当文件存储超过1G之后就新起一个文件写入。这是以大小为维度的，还有一个参数是log.segment.ms,以时间为维度切分。

那配置了这个参数之后如果有很多很多分区，然后因为这个参数是全局的，因此同一时刻需要做很多文件的切分，这磁盘IO就顶不住了啊，因此需要设置个rollJitterMs，来岔开它们。

怎么样有没有联想到redis缓存的过期时间？过期时间加个随机数，防止同一时刻大量缓存过期导致缓存击穿数据库。 看看知识都是通的啊！

日志段的写入

1、判断下当前日志段是否为空，空的话记录下时间，来作为之后日志段的切分依据

2、确保位移值合法，最终调用的是AbstractIndex.toRelative(..)方法，即使判断offset是否小于0，是否大于int最大值。

3、append消息，实际上就是通过FileChannel将消息写入，当然只是写入内存中及页缓存，是否刷盘看配置。

4、更新日志段最大时间戳和最大时间戳对应的位移值。这个时间戳其实用来作为定期删除日志的依据

5、更新索引项，如果需要的话(bytesSinceLastIndexEntry > indexIntervalBytes)

最后再来个流程图

日志段的读取

1、根据第一条消息的offset，通过OffsetIndex找到对应的消息所在的物理位置和大小。

2、获取LogOffsetMetadata,元数据包含消息的offset、消息所在segment的起始offset和物理位置

3、判断minOneMessage是否为true,若是则调整为必定返回一条消息大小，其实就是在单条消息大于maxSize的情况下得以返回，防止消费者饿死

4、再计算最大的fetchSize,即（最大物理位移-此消息起始物理位移）和adjustedMaxSize 的最小值(这波我不是很懂，因为以上一波操作adjustedMaxSize 已经最小为一条消息的大小了)

5、调用 FileRecords 的 slice 方法从指定位置读取指定大小的消息集合，并且构造FetchDataInfo返回

再来个流程图：

小结

从哪里跌倒就从哪里爬起来对吧，这波操作下来咱也不怕下次遇到面试官问了。

区区源码不过尔尔，哈哈哈哈(首先得要有气势)

实际上这只是Kafka源码的冰山一角，长路漫漫。虽说Kafka Broker都是由Scala写的，不过语言不是问题，这不看下来也没什么难点，注释也很丰富。遇到不知道的语法小查一下搞定。

所以强烈建议大家入手源码，从源码上理解。今天说的 append 和 read 是很核心的功能，但一看也并不复杂，所以不要被源码这两个字吓到了。

看源码可以让我们升入的理解内部的设计原理，精进我们的代码功力（经常看着看着，我擦还能这么写）。当然还有系统架构能力。

然后对我而言最重要的是可以装逼了(哈哈哈)。

情景剧

老白正目不转睛盯着监控大屏，“为什么？为什么Kafka Broker物理磁盘 I/O 负载突然这么高？”。寥寥无几的秀发矗立在老白的头上，显得如此的无助。

“是不是设置了 log.segment.ms参数 ？ 试试 log.roll.jitter.ms吧”，老白抬头间我已走出了办公室，留下了一个伟岸的背影和一颗锃亮的光头！

“我变秃了，也变强了”