一、分区策略
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分区的原因
- 方便在集群中扩展，每个 Partition 可以通过调整以适应它所在的机器，而一个 topic又可以有多个 Partition 组成，因此整个集群就可以适应任意大小的数据了；
- 可以提高并发，因为可以以 Partition 为单位读写了。
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分区的原则
我们需要将 producer 发送的数据封装成一个 ProducerRecord 对象。
（1）指明 partition 的情况下，直接将指明的值直接作为 partiton 值；
（2）没有指明 partition 值但有 key 的情况下，将 key 的 hash 值与 topic 的 partition
数进行取余得到 partition 值；
（3）既没有 partition 值又没有 key 值的情况下，第一次调用时随机生成一个整数（后
面每次调用在这个整数上自增），将这个值与 topic 可用的 partition 总数取余得到 partition 值，也就是常说的 round-robin 算法(轮询)。
二、数据可靠性保证
为保证 producer 发送的数据，能可靠的发送到指定的 topic，topic 的每个 partition 收到
producer 发送的数据后，都需要向 producer 发送 ack（acknowledgement 确认收到），如果producer 收到 ack，就会进行下一轮的发送，否则重新发送数据。
1. 副本数据同步策略
| 方案 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 半数以上完成同步，就发送 ack | 延迟低 | 选举新的 leader 时，容忍 n 台节点的故障，需要 2n+1 个副本 |
| 全部完成同步，才发送 ack | 选举新的 leader 时，容忍 n 台节点的故障，需要 n+1 个副本 | 延迟高 |
Kafka 选择了第二种方案，原因如下：
- 同样为了容忍 n 台节点的故障，第一种方案需要 2n+1 个副本，而第二种方案只需要 n+1 个副本，而 Kafka 的每个分区都有大量的数据，第一种方案会造成大量数据的冗余。
- 虽然第二种方案的网络延迟会比较高，但网络延迟对 Kafka 的影响较小。
2. ISR
采用第二种方案之后，设想以下情景：leader 收到数据，所有 follower 都开始同步数据，
但有一个 follower，因为某种故障，迟迟不能与 leader 进行同步，那 leader 就要一直等下去，直到它完成同步，才能发送 ack。这个问题怎么解决呢？
Leader 维护了一个动态的 in-sync replica set (ISR)，意为和 leader 保持同步的 follower 集
合。当 ISR 中的 follower 完成数据的同步之后，leader 就会给 follower 发送 ack。如果 follower长时间 未 向 leader 同 步 数 据 ， 则 该 follower 将 被 踢 出 ISR ， 该 时 间 阈 值 由replica.lag.time.max.ms 参数设定。Leader 发生故障之后，就会从 ISR 中选举新的 leader。
3.ack 应答机制
对于某些不太重要的数据，对数据的可靠性要求不是很高，能够容忍数据的少量丢失，所以没必要等 ISR 中的 follower 全部接收成功。
所以 Kafka 为用户提供了三种可靠性级别，用户根据对可靠性和延迟的要求进行权衡，选择以下的配置。
acks 参数配置：
- acks等于0时：producer 不等待 broker 的 ack，这一操作提供了一个最低的延迟，broker一接收到还没有写入磁盘就已经返回，当 broker 故障时有可能丢失数据；
- acks等于1时：producer 等待 broker 的 ack，partition 的 leader 落盘成功后返回 ack，如果在 follower同步成功之前 leader 故障，那么将会丢失数据；
- acks等于 -1（all）时：producer 等待 broker 的 ack，partition 的 leader 和 follower 全部落盘成功后才 返回 ack。但是如果在 follower 同步完成后，broker 发送 ack 之前，leader发生故障，那么会造成数据重复。
4.故障处理细节
LEO：指的是每个副本最大的 offset；
HW：指的是消费者能见到的最大的 offset，ISR 队列中最小的 LEO。
保证副本存储的数据一致性、消费者消费的数据一致性
- follower 故障
follower 发生故障后会被临时踢出 ISR，待该 follower 恢复后，follower 会读取本地磁盘
记录的上次的 HW，并将 log 文件高于 HW 的部分截取掉，从 HW 开始向 leader 进行同步。等该 follower 的 LEO 大于等于该 Partition 的 HW，即 follower 追上 leader 之后，就可以重新加入 ISR 了。 - leader 故障
leader 发生故障之后，会从 ISR 中选出一个新的 leader，之后，为保证多个副本之间的数据一致性，其余的 follower 会先将各自的 log 文件高于 HW 的部分截掉，然后从新的 leader同步数据。
三、消息传输一致与幂等性
Kafka提供3种消息传输一致性语义：最多1次，最少1次，恰好1次。
- 最多1次：可能会出现数据丢失情况
at most once(ack = 0): 消费者fetch消息,然后保存offset,然后处理消息;当client保存offset之后,但是在消息处理过程中consumer进程失效(crash),导致部分消息未能继续处理；那么此后可能其他consumer会接管,但是因为offset已经提前保存,那么新的consumer将不能fetch到offset之前的消息(尽管它们尚没有被处理),这就是"at most once". - 最少1次：可能会重传数据，有可能出现数据被重复处理的情况
at least once(ack = -1): 消费者fetch消息,然后处理消息,然后保存offset.如果消息处理成功之后,但是在保存offset阶段zookeeper异常或者consumer失效,导致保存offset操作未能执行成功,这就导致接下来再次fetch时可能获得上次已经处理过的消息,这就是"at least once" - 恰好1次：并不是指真正只传输1次，只不过有一个机制。确保不会出现“数据被重复处理”和“数据丢失”的情况。
"Kafka Cluster"到消费者的场景中可以采取以下方案来得到“恰好1次”的一致性语义：
最少1次＋消费者的输出中额外增加已处理消息最大编号：由于已处理消息最大编号的存在，不会出现重复处理消息的情况。
幂等性概念：
- At Least Once 可以保证数据不丢失，但是不能保证数据不重复；相对的，At most Once
可以保证数据不重复，但是不能保证数据不丢失。 - 但是，对于一些非常重要的信息，比如说交易数据，下游数据消费者要求数据既不重复也不丢失，即 Exactly Once 语义。
- 在 0.11 版本以前的Kafka，对此是无能为力的，只能保证数据不丢失，再在下游消费者对数据做全局去重。对于多个下游应用的情况，每个都需要单独做全局去重，这就对性能造成了很大影响。
- 0.11 版本的 Kafka，引入了一项重大特性：幂等性。所谓的幂等性就是指 Producer 不论向 Server 发送多少次重复数据，Server 端都只会持久化一条。幂等性结合 At Least Once 语义，就构成了 Kafka 的 Exactly Once 语义。即：At Least Once + 幂等性 = Exactly Once。
- 要启用幂等性，只需要将 Producer 的参数中 enable.idompotence 设置为 true 即可。
- Kafka的幂等性实现其实就是将原来下游需要做的去重放在了数据上游。开启幂等性的 Producer 在初始化的时候会被分配一个PID，发往同一 Partition 的消息会附带Sequence Number。而Broker 端会对<PID, Partition,SeqNumber>做缓存，当具有相同主键的消息提交时，Broker 只会持久化一条。 但是 PID 重启就会变化，同时不同的Partition 也具有不同主键，所以幂等性无法保证跨分区跨会话的 Exactly Once