Kafka科普系列 | Kafka中的事务是什么样子的？

事务，对于大家来说可能并不陌生，比如数据库事务、分布式事务，那么Kafka中的事务是什么样子的呢？

在说Kafka的事务之前，先要说一下Kafka中幂等的实现。幂等和事务是Kafka 0.11.0.0版本引入的两个特性，以此来实现EOS（exactly once semantics，精确一次处理语义）。

幂等，简单地说就是对接口的多次调用所产生的结果和调用一次是一致的。生产者在进行重试的时候有可能会重复写入消息，而使用Kafka的幂等性功能之后就可以避免这种情况。

开启幂等性功能的方式很简单，只需要显式地将生产者客户端参数enable.idempotence设置为true即可（这个参数的默认值为false）。

Kafka是如何具体实现幂等的呢？Kafka为此引入了producer id（以下简称PID）和序列号（sequence number）这两个概念。每个新的生产者实例在初始化的时候都会被分配一个PID，这个PID对用户而言是完全透明的。

对于每个PID，消息发送到的每一个分区都有对应的序列号，这些序列号从0开始单调递增。生产者每发送一条消息就会将对应的序列号的值加1。

broker端会在内存中为每一对维护一个序列号。对于收到的每一条消息，只有当它的序列号的值（SN_new）比broker端中维护的对应的序列号的值（SN_old）大1（即SN_new = SN_old + 1）时，broker才会接收它。

如果SN_new< SN_old + 1，那么说明消息被重复写入，broker可以直接将其丢弃。如果SN_new> SN_old + 1，那么说明中间有数据尚未写入，出现了乱序，暗示可能有消息丢失，这个异常是一个严重的异常。

引入序列号来实现幂等也只是针对每一对而言的，也就是说，Kafka的幂等只能保证单个生产者会话（session）中单分区的幂等。幂等性不能跨多个分区运作，而事务可以弥补这个缺陷。

事务可以保证对多个分区写入操作的原子性。操作的原子性是指多个操作要么全部成功，要么全部失败，不存在部分成功、部分失败的可能。

为了使用事务，应用程序必须提供唯一的transactionalId，这个transactionalId通过客户端参数transactional.id来显式设置。事务要求生产者开启幂等特性，因此通过将transactional.id参数设置为非空从而开启事务特性的同时需要将enable.idempotence设置为true（如果未显式设置，则KafkaProducer默认会将它的值设置为true），如果用户显式地将enable.idempotence设置为false，则会报出ConfigException的异常。

transactionalId与PID一一对应，两者之间所不同的是transactionalId由用户显式设置，而PID是由Kafka内部分配的。

另外，为了保证新的生产者启动后具有相同transactionalId的旧生产者能够立即失效，每个生产者通过transactionalId获取PID的同时，还会获取一个单调递增的producer epoch。如果使用同一个transactionalId开启两个生产者，那么前一个开启的生产者会报错。

从生产者的角度分析，通过事务，Kafka可以保证跨生产者会话的消息幂等发送，以及跨生产者会话的事务恢复。

前者表示具有相同transactionalId的新生产者实例被创建且工作的时候，旧的且拥有相同transactionalId的生产者实例将不再工作。

后者指当某个生产者实例宕机后，新的生产者实例可以保证任何未完成的旧事务要么被提交（Commit），要么被中止（Abort），如此可以使新的生产者实例从一个正常的状态开始工作。

KafkaProducer提供了5个与事务相关的方法，详细如下：

void initTransactions();
void beginTransaction() throws ProducerFencedException;
void sendOffsetsToTransaction(Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> offsets,
                              String consumerGroupId)
        throws ProducerFencedException;
void commitTransaction() throws ProducerFencedException;
void abortTransaction() throws ProducerFencedException;

initTransactions()方法用来初始化事务；beginTransaction()方法用来开启事务；sendOffsetsToTransaction()方法为消费者提供在事务内的位移提交的操作；commitTransaction()方法用来提交事务；abortTransaction()方法用来中止事务，类似于事务回滚。

在消费端有一个参数isolation.level，与事务有着莫大的关联，这个参数的默认值为“read_uncommitted”，意思是说消费端应用可以看到（消费到）未提交的事务，当然对于已提交的事务也是可见的。

这个参数还可以设置为“read_committed”，表示消费端应用不可以看到尚未提交的事务内的消息。

举个例子，如果生产者开启事务并向某个分区值发送3条消息msg1、msg2和msg3，在执行commitTransaction()或abortTransaction()方法前，设置为“read_committed”的消费端应用是消费不到这些消息的，不过在KafkaConsumer内部会缓存这些消息，直到生产者执行commitTransaction()方法之后它才能将这些消息推送给消费端应用。反之，如果生产者执行了abortTransaction()方法，那么KafkaConsumer会将这些缓存的消息丢弃而不推送给消费端应用。

日志文件中除了普通的消息，还有一种消息专门用来标志一个事务的结束，它就是控制消息（ControlBatch）。控制消息一共有两种类型：COMMIT和ABORT，分别用来表征事务已经成功提交或已经被成功中止。

RecordBatch中attributes字段的第6位用来标识当前消息是否是控制消息。如果是控制消息，那么这一位会置为1，否则会置为0，如上图所示。

attributes字段中的第5位用来标识当前消息是否处于事务中，如果是事务中的消息，那么这一位置为1，否则置为0。由于控制消息也处于事务中，所以attributes字段的第5位和第6位都被置为1。

KafkaConsumer可以通过这个控制消息来判断对应的事务是被提交了还是被中止了，然后结合参数isolation.level配置的隔离级别来决定是否将相应的消息返回给消费端应用，如上图所示。注意ControlBatch对消费端应用不可见。

本文内容转载来自朱小厮的博客