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来源:未知作者:admin 日期:2021-01-23 点击:

Kafka 为什么能那末快的 6 个缘故

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不管 kafka 作为 MQ 也好,作为存储层也罢,不过就是两个功用(好简朴的模样),一是 Producer 临盆的数据存到 broker,二是Consumerbb彩票手机版下载 从 broker 读取数据。那 Kafka 的快也就表现bb彩票手机版下载在读写两个方面了,下面咱们就聊聊 Kafka 快的缘故。

1. 行使 Partition 实现并行处理

咱们都晓得 Kafka 是一个 Pub-Sub 的音讯体系,无论是公布照样定阅,都要指定 Topic。

Topic 只是一个逻bb彩票手机版下载辑的观点。每一个 Topic 都包括一个或多个 Partition,分歧 Partition 可位于差别节点。

一方面,因为分歧 Partition 可位于差别呆板,是以能够充分利用集群上风,实现机器间的并行处理。另一方面,因为 Partition在物理上对应一个文件夹,即便多个 Partition 位于同一个节点,也可经过设置让统一节点上的分歧 Partition置于分歧bb彩票手机版下载的磁盘上,从而实现磁盘间的并行处理,充分发挥多磁盘的上风。

能并行处理,速率确定会有提bb彩票手机版下载升,多个工人确定比一个工人干的快。

“能够并行写入差别的磁盘?那磁盘读写的速率能够管制吗?

那就先简朴扯扯磁盘/IO 的那些事

“硬盘机能的制约身分是甚么?若何凭据磁盘I/O特征来举行体系计划?硬盘内部重要部件为磁盘盘片、传动手臂、读写磁头和主轴马达。现实数据都是写在盘片上,bb彩票手机版下载读写首要是经过传动手臂上的读写磁头来完成。实践运转时,主轴让磁盘盘片动弹,而后传动手臂可舒展让读取头在盘片上举行读写操作。磁盘物理构造以下图所示:

Kafka 为什么能那末快的 6 个缘故

因为单一盘片容量有限,普通硬盘都有两张以上的盘片,每一个盘片有两面,都可记载信息,以是一张盘片对应着两个磁头。盘片被分为很多扇形的地区,每一个地区叫一个扇区。盘片皮相上以盘片核心为圆心,分歧半径的同心圆bb彩票手机版下载称为磁道,差别盘片雷同半径的磁道所构成的圆柱称为柱面。磁道与柱面都是表现分歧半径的圆,在很多场所,磁道和柱面能够调换应用。磁盘盘片垂直视角以下图所示:

Kafka 为什么能那末快的 6 个缘故

图片滥觞:commons.wikimedia.org影响磁盘的关键因素是磁盘效劳工夫,即磁盘完成一个I/O拜托所破费的工夫,它由寻道时候、扭转耽误和数据传输时候三局部组成。机器硬盘的接连读写机能很好,但随机读写机能很差,这重要是因为磁头挪动到准确的磁道上需求时bb彩票手机版下载间,随机读写时,磁头需求不绝的挪动,时候都虚耗在了磁头寻址上,以是机能不高。权衡磁盘的首要首要目标是IOPS和吞吐量。在很多的开源框架如Kafka、HBase 中,都经过追加写的体例来尽可能的将随机 I/O 转换为挨次 I/O,以此来下降寻址时bb彩票手机版下载间和扭转延时,从而最大限度的进步IOPS。感兴趣的同窗能够看看 磁盘I/O那些事[1]

磁盘读写的快慢取决于你怎样利用它,也就是挨次读写大概随机读写。

2. 次序写磁盘

Kafka 为什么能那末快的 6 个缘由

图片根源:kafka.apache.org

Kafka 中每一个分区是一个有序的,不行变的音讯序列,新的音讯不息追加到 partition 的末端,这个就是次序写。

“很久很久之前就有人做过基准测试:《每秒写入2百万(在三台便宜机械上)》http://ifeve.com/benchmarking-apache-kafka-2-million-writes-second-three-cheap-machines/

因为磁盘有限,不大概生存全部数据,实际上作为新闻体系 Kafka 也没需要留存全部数据,须要删除旧的数据。又因为按次写入的缘由,以是 Kafka接纳各类删除战略删除数据的时分,莫非经过运用“读 - 写”形式去修正文件,而是将 Partition 分为多个 Segmenbb彩票手机版下载t,每一个 Segment对应一个物理文件,经过删除全部文件的方法去删除 Partition 内的数据。这类方法扫除旧数据的体例,也防止了对文件的随机写操纵。

3. 充分利用 Page Cache

“引入 Cache 层的目标是为了普及 Linux 操作系统对磁盘拜候的机能。Cache 层在内存中缓存了磁盘上的部份数据。当数据的拜托抵达时,要是在Cache 中存在该数据且是最新的,则直bb彩票手机版下载接将数据传送给用户程序,免去了对底层磁盘的操纵,普及了机能。Cache 层也恰是磁盘 IOPS 为什么能冲破 200的重要缘由之一。在 Linux 的实现中,文件 Cache 分为两个层面,一是 Page Cache,另一个 Buffer Cache,每一个 PageCachbb彩票手机版下载e 包罗多少 Buffer Cache。Page Cache 首要用来作为文件系统上的文件数据的缓存来用,尤为是针对当历程对文件有 read/write操纵的时辰。Buffer Cache 则首要是设想用来在系统对块设施举行读写的时分,对块举行数据缓存的体系来应用。

利用 Page Cache 的利益:

  • I/O Scheduler 会将持续的小块写组装成大块的物理写从而进步机能
  • I/O Scheduler 会实验将一些写操纵从头按按次排好,从而削减磁盘头的挪动时候
  • 充分利用一切闲暇内存(非 JVM 内存)。若是利用应用层 Cache(即 JVM 堆内存),会增添 GC 承当
  • 读操纵可直接在 Page Cache 内举行。要是消耗和临盆速率至关,以至不必要经过物理磁盘(直接经过 Page Cache)交流数据
  • 若是过程重启,JVM 内的 Cache 会失效,但 Page Cache 仍旧可用

Broker 收到数据后,写磁盘时只是将数据写入 Page Cache,并不保证数据必然彻底写入磁盘。从这一点看,大概会形成机械宕机时,PageCache 内的数据未写入磁盘从而形成数据迷失。可是这类遗失只产生在机械断电等形成操作系统不事情的场景,而这类场景完整能够由 Kafka 层面的Replication 机制去办理。假如为了保证这类状况下数据不失落而强迫将 Page Cache 中的数据 Flush到磁盘,反而会下降机能。也正因如此,Kafka 固然供应了 flush.messages 和 flush.ms 两个参数将 Page Cache 中的数据强迫Flush 到磁盘,可是bb彩票手机版下载 Kafka 并不发起运用。

4. 零拷贝技能

Kafka 中存在大量的收集数据长久化到磁盘(Producer 到 Broker)和磁盘文件经过收集发送(Broker 到Consumer)的历程。这一进程的机能直接影响 Kafka 的团体吞吐量。

“操作系统的中心是内核,独bb彩票手机版下载立于平凡的应用程序,能够走访受守护的内存空间,也有拜候底层硬件装备的权限。为了制止用户过程直接操纵内核,保证内核宁静,操作系统将虚bb彩票手机版下载拟内存区分为两部门,一部分是内核空间(Kernel-space),一部分是用户空间(User-space)。

传统的 Linux 体系中,规范的 I/O 接口(比方read,write)都是基于数据拷贝操纵的,即 I/O操纵会致使数据在内核地点空间的缓冲区和用户地点空间的缓冲区之间举行拷贝,bb彩票手机版下载以是规范 I/O 也被称作缓存I/O。如许做的益处是,假如所哀求的数据曾经寄存在内核的高速缓冲存储器中,那末就能够淘汰现实的 I/O 操纵,但害处就是数据拷贝的历程,会致使 CPU开消。

咱们把 Kafka 的出产和消耗简化成以下两个历程来看[2]:

  • 收集数据长久化到磁盘 (Producer 到 Broker)
  • 磁盘文件经过收集发送(Broker 到 Consumer)

4.1 收集数据长久化到磁盘 (Producer 到 Broker)

传统模式下,数据从收集传输到文件需求 4 次数据拷贝、4 次上下文切换和两次体系挪用。

这一进程实际上发作了四次数据拷贝:

“DMA(Direct Memory Access):直接存储器拜候。DMA 是一种无bb彩票手机版下载需 CPU的参加,让外设和体系内存之间举行双向数据传输的硬件机制。利用 DMA 能够使体系 CPU 从实践的 I/O数据传输进程中解脱出来,从而大大提高体系的吞吐率。

同时,还伴有着四次上下文切换,以下图所示

Kafka 为什么能那末快的 6 个起因

数据落盘每每都黑白及时的,kafka 生产者数据耐久化也是云云。Kafka 的数据并不是及时的写入硬盘,它充分利用了当代操作系统分页存bb彩票手机版下载储来哄骗内存进步I/O 服从,就是上一节提到的 Page Cache。

关于 kafka 来讲,Producer 出产的数据存到 broker,这个历程读取到 socket buffer的收集数据,实在能够直接在内核空间完成落盘。并没有需要将 socket buffer 的收集数据,读取到利用过程缓bb彩票手机版下载冲区;在这里运用过程缓冲区实在就是broker,broker 收到生产者的数据,就是为了长久化。

在此特别场景下:领受来自 socket buffer 的收集数据,使用过程不需求中心解决、直接举行长期化时。能够运用 mmap 内存文件映照。

“Memory Mapped Files:简称 mmabb彩票手机版下载p,也有叫 MMFile 的,运用 mmap 的目标是将内核中读缓冲区(readbuffer)的地点与用户空间的缓冲区(user buffer)举行映照。从而实现内核缓冲区与应用程序内存的同享,省bb彩票手机版下载去了将数据从内核读缓冲区(readbuffer)拷贝到用户缓冲区(user buffer)的进程。它的事情道理是直接行使操作系统的 Page来实现bb彩票手机版下载文件到物理内存的直接映照。完成映照以后你对物理内存的操纵会被同步到硬盘上。运用这类方法能够获得很大的 I/O晋升,省去了用户空间到bb彩票手机版下载内核空间复制的开消。

mmap 也有一个很显明的缺点——不靠得住,写到 mmap 中的数据并没bb彩票手机版下载有被真正的写到硬盘,操作系统会在顺序自动挪用 flush的时刻才把数据真正的写到硬盘。Kafka 供给了一个参数——producer.type 来管制是不是自动flush;要是 Kafka 写入到 mmap以后就即时 flush 而后再返回 Producer 叫同步(sync);写入 mmap 以后当即返回 Producer 不调bb彩票手机版下载用 flush就叫异步(async),默许是 sync。

Kafka 为什么能那末快的 6 个缘由

“零拷贝(Zero-copy)手艺指在计算机实行操纵时,CPU 不需求先将数据从一个内存地区复制到另一个内存地区,从而能够削减上下文切换以及 CPU的拷贝时候。它的作用是在数据报从网络设备到用户程序空间通报的历程中,淘汰数据拷贝次数,削减体系挪用,实现 CPU 的零参加,彻底消除 CPU在这方面的负载。今朝零拷贝技能重要有三种范例[3]:

  • 直接I/O:数据直接跨过内核,在用户地点空间与I/O装备之间传送,内核只是举行须要的虚拟存储设置等帮助事情;
  • 制止内核和用户空间之间的数据拷贝:当应用程序不须要对数据举行会见时,则能够防止将数据从内核空间拷贝到用户空间
    • mmap
    • sendfile
    • splice && tee
    • sockmap
  • copy on write:写时拷贝手艺,数据不必要提早拷贝,而是当须要批改的时分再举行部门拷贝。

4.2 磁盘文件经过收集发送(Broker 到 Consumer)

传统方法实现:先读取磁盘、再用 socket 发送,现实也是进过四次 copy

这一历程能够类比上边的出产动静:

Linux 2.4+ 内核经过 sendfile 体系挪用,供应了零拷贝。数据经过 DMA 拷贝到内核态 Buffer 后,直接经过 DMA 拷贝到NIC Buffer,无需 CPU 拷贝。这也是零拷贝这一说法的起原。除了淘汰数据拷贝bb彩票手机版下载外,由于全部读文件 - 收集发送由一个 sendfile挪用完成,全部历程只有两次上下文切换,因而大大提高了机能。

Kafka 为什么能那末快的 6 个起因

Kafka 在这里接纳的计划是经过 NIO 的 transferTo/transferFrom 挪用操作系统的 sendfile 实现零拷贝。统共产生 2次内核数据拷贝、2 次上下文切换和一次体系挪用,消弭了 CPU 数据拷贝

5. 批处理

在不少状况下,体系的瓶颈不是 CPU 或磁盘,而是收集IO。

因而,除了操作系统供给的初级批处理以外,Kafka 的客户端和 broker 还会在经过收集发送数据以前,在一个批处理中积累多条记实(囊括读和写)。记载的批处理摊派了收集来回的开消,运用了更大的数据包从而普及了带宽利用率。

6. 数据压缩

Producer 可将数据压缩后发送给broker,从而淘汰收集传输价值,现在撑持的压缩算法有:Snappy、Gzip、LZ4。数据压缩通常都是和批处理配套运用来作为优化bb彩票手机版下载手腕的。

小总结 | 下次面试官问我 kafka 为什么快,我就这么说

  • partition 并行处理
  • 次序写磁盘,充分利用磁盘特征
  • 操纵了当代操作系统分页存储 Page Cache 来使用内存进步 I/O 服从
  • 采取了零拷贝手艺
    • Producer 临盆的数据耐久化到 broker,接纳 mmap 文件映照,实现递次的疾速写入
    • Customer 从 broker 读取数据,采取 sendfile,将磁盘文件读到 OS 内核缓冲区后,转到 NIO buffer举行收集发送,削减CPU 消费

参考资料

[1]美团——磁盘I/O那些事:https://tech.meituan.com/2017/05/19/about-desk-io.html

[2]Kafka零拷贝:https://zhuanlan.zhihu.com/p/78335525

[3]Linux - Zero-copy(零拷贝):https://cllc.fun/2020/03/18/linux-zero-copy/

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