控制器组件（Controller），是 Apache Kafka 的核心组件。它的主要作用是在 Apache ZooKeeper 的帮助下管理和协调整个 Kafka 集群。集群中任意一台 Broker 都能充当控制器的角色，但是，在运行过程中，只能有一个 Broker 成为控制器，行使其管理和协调的职责。换句话说，每个正常运转的 Kafka 集群，在任意时刻都有且只有一个控制器。
控制器选举
Broker 在启动时，会尝试去 ZooKeeper 中创建 /controller 节点。
Kafka 当前选举控制器的规则是：第一个成功创建 /controller 节点的 Broker 会被指定为控制器。
控制器作用
1.主题管理（创建、删除、增加分区）
控制器帮助我们完成对 Kafka 主题的创建、删除以及分区增加的操作。换句话说，当我们执行 kafka-topics 脚本时，大部分的后台工作都是控制器来完成的。
2.分区重分配
kafka-reassign-partitions 脚本提供的对已有主题分区进行细粒度的分配功能。这部分功能也是控制器实现的。
3.Preferred 领导者选举
Preferred 领导者选举主要是 Kafka 为了避免部分 Broker 负载过重而提供的一种换 Leader 的方案。
4.集群成员管理（新增 Broker、Broker 主动关闭、Broker 宕机）
自动检测新增 Broker、Broker 主动关闭及被动宕机。这种自动检测是依赖于 Watch 功能和 ZooKeeper 临时节点组合实现的。
控制器组件会利用 Watch 机制检查 ZooKeeper 的 /brokers/ids 节点下的子节点数量变更。当有新 Broker 启动后，它会在 /brokers 下创建专属的 znode 节点。一旦创建完毕，ZooKeeper 会通过 Watch 机制将消息通知推送给控制器，这样，控制器就能自动地感知到这个变化，进而开启后续的新增 Broker 作业。
每个 Broker 启动后，会在 /brokers/ids 下创建一个临时 znode。当 Broker 宕机或主动关闭后，该 Broker 与 ZooKeeper 的会话结束，这个 znode 会被自动删除。同理，ZooKeeper 的 Watch 机制将这一变更推送给控制器，这样控制器就能知道有 Broker 关闭或宕机了，从而进行“善后”。
5.数据服务
向其他 Broker 提供数据服务。控制器上保存了最全的集群元数据信息，其他所有 Broker 会定期接收控制器发来的元数据更新请求，从而更新其内存中的缓存数据。
所有主题信息。包括具体的分区信息，比如领导者副本是谁，ISR 集合中有哪些副本等。
所有 Broker 信息。包括当前都有哪些运行中的 Broker，哪些正在关闭中的 Broker 等。
所有涉及运维任务的分区。包括当前正在进行 Preferred 领导者选举以及分区重分配的分区列表。
这些数据其实在 ZooKeeper 中也保存了一份。每当控制器初始化时，它都会从 ZooKeeper 上读取对应的元数据并填充到自己的缓存中。有了这些数据，控制器就能对外提供数据服务了。这里的对外主要是指对其他 Broker 而言，控制器通过向这些 Broker 发送请求的方式将这些数据同步到其他 Broker 上。
控制器故障转移（Failover）
故障转移指的是，当运行中的控制器突然宕机或意外终止时，Kafka 能够快速地感知到，并立即启用备用控制器来代替之前失败的控制器。
如下图, 最开始时，Broker 0 是控制器。当 Broker 0 宕机后，ZooKeeper 通过 Watch 机制感知到并删除了 /controller 临时节点。之后，所有存活的 Broker 开始竞选新的控制器身份。Broker 3 最终赢得了选举，成功地在 ZooKeeper 上重建了 /controller 节点。之后，Broker 3 会从 ZooKeeper 中读取集群元数据信息，并初始化到自己的缓存中。至此，控制器的 Failover 完成，可以行使正常的工作职责了。
控制器内部设计原理
事件处理线程统一处理各种控制器事件，然后控制器将原来执行的操作全部建模成一个个独立的事件，发送到专属的事件队列中，供此线程消费。这就是所谓的单线程 + 队列的实现方式。
同步操作 ZooKeeper 改为异步操作.采用同步操作,当有大量主题分区发生变更时，ZooKeeper 容易成为系统的瓶颈. 异步操作比同步操作提升 10 倍性能.
自 2.2 开始，Kafka 正式支持这种不同优先级请求的处理。
附加
控制器组件出现问题时，比如主题无法删除了，或者重分区 hang 住了，你不用重启 Kafka Broker 或控制器。有一个简单快速的方式是，去 ZooKeeper 中手动删除 /controller 节点。具体命令是 rmr /controller。这样做的好处是，既可以引发控制器的重选举，又可以避免重启 Broker 导致的消息处理中断。
引用:
Kafka核心技术与实战 - 胡夕
