大家好，我是武哥。这是《吃透 MQ 系列》的第三篇，有关 Kafka 的架构设计。
这篇文章将带着大家参透：到底什么是 Kafka 架构设计的任督二脉？把握住了这个关键点，我相信你将能更好地理解 Kafka 的架构设计，进而顺藤摸瓜地掌握 Kafka 的核心技术方案。废话不多说了，开始发车。
1、Kafka 为实时日志流而生，要处理的并发和数据量非常大。可见，Kafka 本身就是一个高并发系统，它必然会遇到高并发场景下典型的三高挑战：高性能、高可用和高扩展。2、为了简化实现的复杂度，Kafka 最终采用了很巧妙的消息模型：它将所有消息进行了持久化存储，让消费者自己各取所需，想取哪个消息，想什么时候取都行，只需要传递一个消息的 offset 进行拉取即可。最终 Kafka 将自己退化成了一个「存储系统」。因此，海量消息的存储问题就是 Kafka 架构设计中的最大技术难点。下面我们再接着分析下：Kafka 究竟是如何解决存储问题的？面对海量数据，单机的存储容量和读写性能肯定有限，大家很容易想到一种存储方案：对数据进行分片存储。这种方案在我们实际工作中也非常常见：1、比如数据库设计中，当单表的数据量达到几千万或者上亿时，我们会将它拆分成多个库或者多张表。2、比如缓存设计中，当单个 Redis 实例的数据量达到几十个 G 引发性能瓶颈时，我们会将单机架构改成分片集群架构。类似的拆分思想在 HDFS、ElasticSearch 等中间件中都能看到。Kafka 也不例外，它同样采用了这种水平拆分方案。在 Kafka 的术语中，拆分后的数据子集叫做 Partition（分区），各个分区的数据合集即全量数据。我们再来看下 Kafka 中的 Partition 具体是如何工作的？举一个很形象的例子，如果我们把「Kafka」类比成「高速公路」：1、当大家听到京广高速的时候，知道这是一条从北京到广州的高速路，这是逻辑上的叫法，可以理解成 Kafka 中的 Topic（主题）。2、一条高速路通常会有多个车道进行分流，每个车道上的车都是通往一个目的地的（属于同一个Topic），这里所说的车道便是 Partition。这样，一条消息的流转路径就如下图所示，先走主题路由，然后走分区路由，最终决定这条消息该发往哪个分区。
其中分区路由可以简单理解成一个 Hash 函数，生产者在发送消息时，完全可以自定义这个函数来决定分区规则。如果分区规则设定合理，所有消息将均匀地分配到不同的分区中。通过这样两层关系，最终在 Topic 之下，就有了一个新的划分单位：Partition。先通过 Topic 对消息进行逻辑分类，然后通过 Partition 进一步做物理分片，最终多个 Partition 又会均匀地分布在集群中的每台机器上，从而很好地解决了存储的扩展性问题。
因此，Partition 是 Kafka 最基本的部署单元。本文之所以将 Partition 称作 Kafka 架构设计的任督二脉，基于下面两点原因：
1、Partition 是存储的关键所在，MQ「一发一存一消费」的核心流程必然围绕它展开。
2、Kafka 高并发设计中最难的三高问题都能和 Partition 关联起来。
因此，以 Partition 作为根，能很自然地联想出 Kafka 架构设计中的各个知识点，形成可靠的知识体系。下面，请大家继续跟着我的思路，以 Partition 为线索，对 Kafka 的宏观架构进行解析。接下来，我们再看看 Partition 的分布式能力究竟是如何实现的？它又是怎么和 Kafka 的整体架构关联起来的？前面讲过 Partition 是 Topic 之下的一个划分单位，它是 Kafka 最基本的部署单元，它将决定 Kafka 集群的组织方式。假设现在有两个 Topic，每个 Topic 都设置了两个 Partition，如果 Kafka 集群是两台机器，部署架构将会是下面这样：
可以看到：同一个 Topic 的两个 Partition 分布在不同的消息服务器上，能做到消息的分布式存储了。但是对于 Kafka 这个高并发系统来说，仅存储可扩展还不够，消息的拉取也必须并行才行，否则会遇到极大的性能瓶颈。那我们再看看消费端，它又是如何跟 Partition 结合并做到并行处理的？从消费者来看，首先要满足两个基本诉求：
1、广播消费能力：同一个 Topic 可以被多个消费者订阅，一条消息能够被消费多次。
2、集群消费能力：当消费者本身也是集群时，每一条消息只能分发给集群中的一个消费者进行处理。
为了满足这两点要求，Kafka 引出了消费组的概念，每个消费者都有一个对应的消费组，组间进行广播消费，组内进行集群消费。此外，Kafka 还限定了：每个 Partition 只能由消费组中的一个消费者进行消费。最终的消费关系如下图所示：假设主题 A 共有 4 个分区，消费组 2 只有两个消费者，最终这两个消费组将平分整个负载，各自消费两个分区的消息。
如果要加快消息的处理速度，该如何做呢？也很简单，向消费组 2 中增加新的消费者即可，Kafka 将以 Partition 为单位重新做负载均衡。当增加到 4 个消费者时，每个消费者仅需处理 1 个 Partition，处理速度将提升两倍。
到这里，存储可扩展、消息并行处理这两个难题都解决了。但是高并发架构设计上，还遗留了一个很重要的问题：那就是高可用设计。在 Kafka 集群中，每台机器都存储了一些 Partition，一旦某台机器宕机，上面的数据不就丢失了吗？此时，你一定会想到对消息进行持久化存储，但是持久化只能解决一部分问题，它只能确保机器重启后，历史数据不丢失。但在机器恢复之前，这部分数据将一直无法访问。这对于高并发系统来说，是无法忍受的。所以 Kafka 必须具备故障转移能力才行，当某台机器宕机后仍然能保证服务可用。
如果大家去分析任何一个高可靠的分布式系统，比如 ElasticSearch、Redis Cluster，其实它们都有一套多副本的冗余机制。
没错，Kafka 正是通过 Partition 的多副本机制解决了高可用问题。在 Kafka 集群中，每个 Partition 都有多个副本，同一分区的不同副本中保存的是相同的消息。副本之间是 “一主多从” 的关系，其中 leader 副本负责读写请求，follower 副本只负责和 leader 副本同步消息，当 leader 副本发生故障时，它才有机会被选举成新的 leader 副本并对外提供服务，否则一直是待命状态。
现在，我假设 Kafka 集群中有 4 台服务器，主题 A 和主题 B 都有两个 Partition，且每个 Partition 各有两个副本，那最终的多副本架构将如下图所示：很显然，这个集群中任何一台机器宕机，都不会影响 Kafka 的可用性，数据仍然是完整的。理解了上面这些内容，最后我们再反过来看下 Kafka 的整体架构：1、Producer：生产者，负责创建消息，然后投递到 Kafka 集群中，投递时需要指定消息所属的 Topic，同时确定好发往哪个 Partition。2、Consumer：消费者，会根据它所订阅的 Topic 以及所属的消费组，决定从哪些 Partition 中拉取消息。3、Broker：消息服务器，可水平扩展，负责分区管理、消息的持久化、故障自动转移等。4、Zookeeper：负责集群的元数据管理等功能，比如集群中有哪些 broker 节点以及 Topic，每个 Topic 又有哪些 Partition 等。很显然，在 Kafka 整体架构中，Partition 是发送消息、存储消息、消费消息的纽带。吃透了它，再去理解整体架构，脉络会更加清晰。本文以 Partition 为切入点，从宏观角度解析了 Kafka 的整体架构，再简单总结下本文的内容：1、Kafka 通过巧妙的模型设计，将自己退化成一个海量消息的存储系统。2、为了解决存储的扩展性问题，Kafka 对数据进行了水平拆分，引出了 Partition（分区），这是 Kafka 部署的基本单元，同时也是 Kafka 并发处理的最小粒度。3、对于一个高并发系统来说，还需要做到高可用，Kafka 通过 Partition 的多副本冗余机制进行故障转移，确保了高可靠。希望这篇文章能让大家摆脱死记硬背的模式，先找到一个支点，再去推敲 Kafka 架构设计的来龙去脉，知其所以然。下篇文章将从微观角度切入，深入分析 Kafka 的设计原理，我们下期见！
大家在看：
编程高手是如何练成的？
---------- END ----------
大家好，我是武哥，前亚马逊工程师，现知名独角兽技术总监，持续分享个人的成长收获，关注我一定能提升你的视野，让我们一起进阶吧！
