1 名词解释
- Topic：可以认为一个一类消息，生产者和消费者通过topic进行数据传输
- partition：Kafka 中消息是以 topic 进行分类的，生产者通过 topic 向 Kafka broker 发送消息，消费者通过 topic 读取数据。如果 partition 规则设置的合理，所有消息可以均匀分布到不同的 partition 里，这样就实现了水平扩展（解决了性能问题）。同时生产者可以通过设置key指定分片，实现局部有序
2 存储原理
随着生产者不断生产消息，partition在实际保存的时候会不断扩张，对于消息文件的维护和过期数据的清理带来影响，所以partition又细分成segment，方便过期数据的清理。
segment 文件由两部分组成，分别为“.index”文件(索引文件，存储大量的元数据)和“.log”文件(存储大量的消息)，分别表示为 segment 索引文件和数据文件。这两个文件的命令规则为：partition 全局的第一个 segment 从 0 开始，后续每个 segment 文件名为上一个 segment 文件最后一条消息的 offset 值，数值大小为 64 位，20 位数字字符长度，没有数字用 0 填充，如下：
00000000000000000000.index
00000000000000000000.log
00000000000000170410.index
00000000000000170410.log
00000000000000239430.index
00000000000000239430.log
以上面的 segment 文件为例，展示出 segment：00000000000000170410 的“.index”文件和“.log”文件的对应的关系，如下图：
如上图，索引文件中的元数据指向对应数据文件中 message 的物理偏移地址。其中以“.index”索引文件中的元数据 [3, 348] 为例，在“.log”数据文件表示第 3 个消息，即在全局 partition 中表示 170410+3=170413 个消息，该消息的物理偏移地址为 348。
那么如何从 partition 中通过 offset 查找 message 呢？以上图为例，读取 offset=170418 的消息，首先查找 segment 文件，其中 00000000000000000000.index 为最开始的文件，第二个文件为 00000000000000170410.index（起始偏移为 170410+1=170411），而第三个文件为 00000000000000239430.index（起始偏移为 239430+1=239431），所以这个 offset=170418 就落到了第二个文件之中。其他后续文件可以依次类推，以其实偏移量命名并排列这些文件，然后根据二分查找法就可以快速定位到具体文件位置。其次根据 00000000000000170410.index 文件中的 [8,1325] 定位到 00000000000000170410.log 文件中的 1325 的位置进行读取。
3 ISR
ISR (In-Sync Replicas)，指副本同步队列，由 leader 维护 ，通过ISR维护正常同步的副本集合（包括leader和follower），在ISR列表中的副本的延迟条数replica.lag.time.max.ms在设置的范围内，超过阈值会把 follower 剔除出 ISR。
Kafka 的 ISR 的管理最终都会反馈到 Zookeeper 节点上，通过leader单独的线程定期检测 follower，并将新的 ISR 的信息返回到 Zookeeper 的相关节点中。
为什么需要ISR？
Leader宕机后通常需要重新选举Leader，同时为了保证数据不丢失，新Leader必须包含完整的数据。同步复制要求所有能工作的follower副本都复制完，这条消息才会被确认已成功提交，这种复制方式极大的影响了性能。kafka使用这种ISR的方式，只维护了部分符合要求的副本，有效的权衡了数据可靠性和性能之间的关系。
为什么不使用类似ZK的“少数服从多数”原则？
如果可以容忍N个节点挂掉，那么就需要部署2N+1个节点；。也就是说，在生产环境下为了保证较高的容错率，必须要有大量的副本，而大量的副本又会在大数据量下的协商会导致性能的急剧下降（也是kafka为什么不在zk里保存offset的原因）。
4 HW 和 LEO
LEO（Log End Offset），标识当前日志文件中下一条待写入的消息的offset；
HW （High Watermark），取一个 partition 对应的 ISR 中最小的 LEO 作为 HW，consumer 最多只能消费到 HW 所在的位置。
假如leader副本的LEO为5，follower1的LEO为5，follower2的LEO 为4，那么当前分区的HW取最小值4，此时消费者可以消费到offset0至3之间的消息；当所有副本都成功写入消息3和消息4之后，整个分区的HW和LEO都变为5，因此消费者可以消费到offset为4的消息了。
为什么需要HW和LEO？
保证副本数据一致性，因为HW代表了ISR所有副本中都已经同步的数据，而log是直接做追加操作，要先截断到HW位置，保证自己没有多余的数据，然后在追加
5 数据可靠性保证
当 producer 向 leader 发送数据时，可以通过 request.required.acks 参数来设置数据可靠性的级别：
- 0: 意味着 producer 无需等待来自 broker 的确认而继续发送下一批消息。这种情况下数据传输效率最高，但是数据可靠性确是最低的。
- 1：这意味着 producer 在 ISR 中的 leader 已成功收到的数据并得到确认后发送下一条 message。如果 leader 宕机了，则会丢失数据。
- -1: producer 需要等待 ISR 中的所有 follower 都确认接收到数据后才算一次发送完成，可靠性最高。（生产环境下如果不能容忍数据丢失，应该设置为-1，并且配合min.insync.replicas>=2来保证完全不丢失，如果min.insync.replicas设置为1，当 ISR 中只有 leader 时，这样就变成了 acks=1 的情况。）
kafka会不会因为操作系统pagecache导致数据丢失
为了减少落盘次数，提高效率，kafka的broker会先存储到页缓存（Page cache）中，按照时间或者其他条件进行刷盘（从page cache到file）；如果生产速度和消费速度速度相差不大，是可以依赖page cache直接完成数据交互的
但是当leader写入pagecache后宕机，数据并没有来得及落盘，数据会丢失；如果想保证数据不丢失，可以依赖request.required.acks = -1来保证副本都已经同步数据了，相当于kafka并不需要担心pagecache引起的数据丢失，而是使用follower副本避免数据丢失问题
6 消费者offset移交
consumer提交offset有两种方式：
- 自动提交，让消费者自动提交偏移量。 enable.auto.comnit 被设为 true，消费者会自动把从 poll()方法接收到的最大偏移量提交上去。 提交时间间隔由 auto.commit.interval.ms 控制，默认值是 5s。因为太省事了，以至于丧失了很大的灵活性和可控性，完全没法把控 Consumer 端的位移管理。
- 手动提交，包含同步提交 、异步提交 、异步+同步 组合的方式提交三种方式，在保证消费端消费完成后手动调用提交，可以保证消息不丢失（前提是客户端没有新开线程去处理）
offset提交到哪里？
这个提交过程不仅要实现高持久性，还要支持高频的写操作，显然，Kafka 的主题设计天然就满足这两个条件，因此kafka通过内置的_consumer_offset，用于Offset数据的提交（由于ZK并不适合大数据量写，所以改为topic保存）。
如果位移主题是 Kafka 自动创建的，那么该主题的分区数是 50，副本数是 3。并通过Math.abs(“groupid”.hashCode())%groupMetadataTopicPartitionCount 定位到分区位置。
随着消费者的不断消费，会向位移主题中不断写入消息，但是显然 Kafka 只需要保留这类消息中的最新一条就可以了，之前的消息都是可以删除的。这就要求 Kafka 必须要有针对位移主题消息特点的消息删除策略，否则这种消息会越来越多，最终撑爆整个磁盘。
Kafka 使用Compact 策略来删除位移主题中的过期消息，避免该主题无限期膨胀。那么应该如何定义 Compact 策略中的过期呢？对于同一个 Key 的两条消息 M1 和 M2，如果 M1 的发送时间早于 M2，那么 M1 就是过期消息。Kafka 提供了专门的后台线程定期地巡检待 Compact 的主题，看看是否存在满足条件的可删除数据。
