kafka存储机制以及offset

1.前言

一个商业化消息队列的性能好坏，其文件存储机制设计是衡量一个消息队列服务技术水平和最关键指标之一。
下面将从Kafka文件存储机制和物理结构角度，分析Kafka是如何实现高效文件存储，及实际应用效果。

2.Kafka文件存储机制

Kafka部分名词解释以下：

• Broker：消息中间件处理结点，一个Kafka节点就是一个broker，多个broker能够组成一个Kafka集群。
• Topic：一类消息，例如page view日志、click日志等均可以以topic的形式存在，Kafka集群可以同时负责多个topic的分发。
• Partition：topic物理上的分组，一个topic能够分为多个partition，每一个partition是一个有序的队列。
• Segment：partition物理上由多个segment组成，下面2.2和2.3有详细说明。
• offset：每一个partition都由一系列有序的、不可变的消息组成，这些消息被连续的追加到partition中。partition中的每一个消息都有一个连续的序列号叫作offset,用于partition惟一标识一条消息.

分析过程分为如下4个步骤：

• topic中partition存储分布
• partiton中文件存储方式
• partiton中segment文件存储结构
• 在partition中如何经过offset查找message

经过上述4过程详细分析，咱们就能够清楚认识到kafka文件存储机制的奥秘。

2.1 topic中partition存储分布

假设实验环境中Kafka集群只有一个broker，xxx/message-folder为数据文件存储根目录，在Kafka broker中server.properties文件配置(参数log.dirs=xxx/message-folder)，例如建立2个topic名称分别为report_push、launch_info, partitions数量都为partitions=4
存储路径和目录规则为：

xxx/message-folder

              |--report_push-0
              |--report_push-1
              |--report_push-2
              |--report_push-3
              |--launch_info-0
              |--launch_info-1
              |--launch_info-2
              |--launch_info-3

 

在Kafka文件存储中，同一个topic下有多个不一样partition，每一个partition为一个目录，partiton命名规则为topic名称+有序序号，第一个partiton序号从0开始，序号最大值为partitions数量减1。
若是是多broker分布状况，请参考kafka集群partition分布原理分析

2.2 partiton中文件存储方式

下面示意图形象说明了partition中文件存储方式:

图1

• 每一个partion(目录)至关于一个巨型文件被平均分配到多个大小相等segment(段)数据文件中。但每一个段segment file消息数量不必定相等，这种特性方便old segment file快速被删除。
• 每一个partiton只须要支持顺序读写就好了，segment文件生命周期由服务端配置参数决定。

这样作的好处就是能快速删除无用文件，有效提升磁盘利用率。

2.3 partiton中segment文件存储结构

读者从2.2节了解到Kafka文件系统partition存储方式，本节深刻分析partion中segment file组成和物理结构。

• segment file组成：由2大部分组成，分别为index file和data file，此2个文件一一对应，成对出现，后缀".index"和“.log”分别表示为segment索引文件、数据文件.
• segment文件命名规则：partion全局的第一个segment从0开始，后续每一个segment文件名为上一个segment文件最后一条消息的offset值。数值最大为64位long大小，19位数字字符长度，没有数字用0填充。

下面文件列表是笔者在Kafka broker上作的一个实验，建立一个topicXXX包含1 partition，设置每一个segment大小为500MB,并启动producer向Kafka broker写入大量数据,以下图2所示segment文件列表形象说明了上述2个规则：

图2

以上述图2中一对segment file文件为例，说明segment中index<—->data file对应关系物理结构以下：

图3

上述图3中索引文件存储大量元数据，数据文件存储大量消息，索引文件中元数据指向对应数据文件中message的物理偏移地址。
其中以索引文件中元数据3,497为例，依次在数据文件中表示第3个message(在全局partiton表示第368772个message)、以及该消息的物理偏移地址为497。

从上述图3了解到segment data file由许多message组成，下面详细说明message物理结构以下：

图4

参数说明：

关键字	解释说明
8 byte offset	在parition(分区)内的每条消息都有一个有序的id号，这个id号被称为偏移(offset),它能够惟一肯定每条消息在parition(分区)内的位置。即offset表示partiion的第多少message
4 byte message size	message大小
4 byte CRC32	用crc32校验message
1 byte “magic"	表示本次发布Kafka服务程序协议版本号
1 byte “attributes"	表示为独立版本、或标识压缩类型、或编码类型。
4 byte key length	表示key的长度,当key为-1时，K byte key字段不填
K byte key	可选
value bytes payload	表示实际消息数据。

2.4 在partition中如何经过offset查找message

例如读取offset=368776的message，须要经过下面2个步骤查找。

• 第一步查找segment file
  上述图2为例，其中00000000000000000000.index表示最开始的文件，起始偏移量(offset)为0.第二个文件00000000000000368769.index的消息量起始偏移量为368770 = 368769 + 1.一样，第三个文件00000000000000737337.index的起始偏移量为737338=737337 + 1，其余后续文件依次类推，以起始偏移量命名并排序这些文件，只要根据offset **二分查找**文件列表，就能够快速定位到具体文件。
  当offset=368776时定位到00000000000000368769.index|log

• 第二步经过segment file查找message
  经过第一步定位到segment file，当offset=368776时，依次定位到00000000000000368769.index的元数据物理位置和00000000000000368769.log的物理偏移地址，而后再经过00000000000000368769.log顺序查找直到offset=368776为止。

从上述图3可知这样作的优势，segment index file采起稀疏索引存储方式，它减小索引文件大小，经过mmap能够直接内存操做，稀疏索引为数据文件的每一个对应message设置一个元数据指针,它比稠密索引节省了更多的存储空间，但查找起来须要消耗更多的时间。