kafka存储原理介绍

几个基本概念

Topic

消息主题。

每一条消息都必须要指定主题。kafka集群可以同时进行多个topic的分发。

Broker

消息处理的节点。

可以立即为每个broker是一个单独的kafka进程， 一般部署在不同的机器上， 多个broker共同组成一个集群。

Partition

分区。是topic在物理上的分组。每个partition实际上就是一个目录。

对于同一个topic下的多条消息， 按照一定的规则存储在多个partition上。 对于每个partition而言，消息的存储是有序的，但是对于整个topic而言， 消息的存储是无序的。

Segment

partition在物理上是有多个segment组成。

文件存储方式

topic中partition存储分布

假设当前环境kafka集群只有一个broker, 配置的数据存储根目录是 /data/， 假设现在创建了两个topic, 分别为event_log和alarm_log, partition数量设置的都为4， 则在/data目录下的结构如下：

/data
	event_log-0/
  event_log_1/
  event_log_2/
  evnet_log_3/
  alarm_log_0/
  alarm_log_1/
  alarm_log_2/
  alarm_log_3/

我们可以看到每个topic按名称分别占据了4个目录，且第一个partition的序号从0开始， 依次递增。

partition中文件存储分布

• 每个partition目录下平均分配到多个大小相等segment(段)数据文件。 但每个segment段文件的消息数量不一定相等。
• 每个partition只允许顺序读写。这也是为什么说单个partition存储的消息是有序的。

对于segment文件， 由两部分组成, 且一一对应，成对出现, 分别为：

• index file 索引文件，后缀为index。 存储元数据， 索引文件中的元数据指向对应数据文件中meaage的物理偏移地址。
• data file 数据文件， 后缀为log。 存储message数据

下面是某个partition目录下的存储的segment文件

event_log-0/
	0000000000000000000.index
	0000000000000000000.log
	0000000000000246789.index
	0000000000000246789.log
	......

其中segment文件的命名规则如下：

• partition全局的第一个segment从0开始
• 后续每个sengment文件名为上一个全局partiitonde的最大offset(偏移message数)
• 19位数字字符长度， 没有用0填充

可以看到data file是由meassage组成的， message的物理结构如下图所示：

在 partition 中通过 offset 查找 message过程

1. 根据 offset 的值，查找 segment 段中的 index 索引文件。由于索引文件命名是以上一个文件的最后一个offset 进行命名的，所以，使用二分查找算法能够根据offset 快速定位到指定的索引文件
2. 找到索引文件后，根据 offset 进行定位，找到索引文件中的匹配范围的偏移量position。（kafka 采用稀疏索引的方式来提高查找性能）
3. 得到 position 以后，再到对应的 log 文件中，从 position处开始查找 offset 对应的消息，将每条消息的 offset 与目标 offset 进行比较，直到找到消息

比如说，我们要查找 offset=2490 这条消息，那么先找到00000000000000000000.index, 然后找到[2487,49111]这个索引，再到 log 文件中，根据 49111 这个 position 开始查找，比较每条消息的 offset 是否大于等于 2490。最后查找到对应的消息以后返回

kafka特性

顺序写

如果把消息以随机的方式写入到磁盘，那么磁盘首先要做的就是寻址，也就是定位到数据所在的物理地址，在磁盘上就要找到对应的柱面、磁头以及对应的扇区；这个过程相对内存来说会消耗大量时间，为了规避随机读写带来的时间消耗，kafka 采用顺序写的方式存储数据。

零拷贝

一般的拷贝过程如下：

1. 操作系统将数据从磁盘读入到内核空间的页缓存
2. 应用程序将数据从内核空间读入到用户空间缓存
3. 应用程序将数据写回到内核空间到 socket 缓存中
4. 操作系统将数据从 socket 缓冲区复制到网卡缓冲区，以便将数据经网络发出

而零拷贝则直接将数据从页缓存传输到 socket， 不需要经过用户空间。

在 Linux 中，是通过 sendfile系统调用来完成的。Java 提供了访问这个系统调用的方法FileChannel.transferTo

参考文章：

https://blog.csdn.net/zhangxm_qz/article/details/87636094