磁盤讀寫的快慢取決于你怎么使用它，也就是順序讀寫或者隨機(jī)讀寫。在順序讀寫的情況下，磁盤的順序讀寫速度和內(nèi)存持平。

因?yàn)橛脖P是機(jī)械結(jié)構(gòu)，每次讀寫都會(huì)尋址->寫入，其中尋址是一個(gè)“機(jī)械動(dòng)作”，它是最耗時(shí)的。所以硬盤最討厭隨機(jī)I/O，最喜歡順序I/O。為了提高讀寫硬盤的速度，Kafka就是使用順序I/O。

而且Linux對(duì)于磁盤的讀寫優(yōu)化也比較多，包括read-ahead和write-behind，磁盤緩存等。如果在內(nèi)存做這些操作的時(shí)候，一個(gè)是JAVA對(duì)象的內(nèi)存開銷很大，另一個(gè)是隨著堆內(nèi)存數(shù)據(jù)的增多，JAVA的GC時(shí)間會(huì)變得很長(zhǎng)，使用磁盤操作有以下幾個(gè)好處：

1. 順序?qū)懭氪疟P順序讀寫速度超過內(nèi)存隨機(jī)讀寫
2. 順序?qū)懭隞VM的GC效率低，內(nèi)存占用大。使用磁盤可以避免這一問題
3. 順序?qū)懭胂到y(tǒng)冷啟動(dòng)后，磁盤緩存依然可用

下圖就展示了Kafka是如何寫入數(shù)據(jù)的， 每一個(gè)Partition其實(shí)都是一個(gè)文件 ，收到消息后Kafka會(huì)把數(shù)據(jù)插入到文件末尾(虛框部分)：

這種方法有一個(gè)缺陷——沒有辦法刪除數(shù)據(jù) ，所以Kafka是不會(huì)刪除數(shù)據(jù)的，它會(huì)把所有的數(shù)據(jù)都保留下來，每個(gè)消費(fèi)者(Consumer)對(duì)每個(gè)Topic都有一個(gè)offset用來表示讀取到了第幾條數(shù)據(jù) 。 兩個(gè)消費(fèi)者：

1. 順序?qū)懭隒onsumer1有兩個(gè)offset分別對(duì)應(yīng)Partition0、Partition1(假設(shè)每一個(gè)Topic一個(gè)Partition);
2. 順序?qū)懭隒onsumer2有一個(gè)offset對(duì)應(yīng)Partition2。 這個(gè)offset是由客戶端SDK負(fù)責(zé)保存的，Kafka的Broker完全無視這個(gè)東西的存在; 一般情況下SDK會(huì)把它保存到Zookeeper里面，所以需要給Consumer提供zookeeper的地址。

如果不刪除硬盤肯定會(huì)被撐滿，所以Kakfa提供了兩種策略來刪除數(shù)據(jù)：

1. 順序?qū)懭胍皇腔跁r(shí)間。
2. 順序?qū)懭攵腔趐artition文件大小。

Memory Mapped Files

即便是順序?qū)懭胗脖P，硬盤的訪問速度還是不可能追上內(nèi)存。所以Kafka的數(shù)據(jù)并不是實(shí)時(shí)的寫入硬盤 ，它充分利用了現(xiàn)代操作系統(tǒng)分頁存儲(chǔ)來利用內(nèi)存提高I/O效率。

Memory Mapped Files(后面簡(jiǎn)稱mmap)也被翻譯成 內(nèi)存映射文件 ，在64位操作系統(tǒng)中一般可以表示20G的數(shù)據(jù)文件，它的工作原理是直接利用操作系統(tǒng)的Page來實(shí)現(xiàn)文件到物理內(nèi)存的直接映射。

完成映射之后你對(duì)物理內(nèi)存的操作會(huì)被同步到硬盤上(操作系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候)。

通過mmap，進(jìn)程像讀寫硬盤一樣讀寫內(nèi)存(當(dāng)然是虛擬機(jī)內(nèi)存)，也不必關(guān)心內(nèi)存的大小有虛擬內(nèi)存為我們兜底。

使用這種方式可以獲取很大的I/O提升，省去了用戶空間到內(nèi)核空間復(fù)制的開銷(調(diào)用文件的read會(huì)把數(shù)據(jù)先放到內(nèi)核空間的內(nèi)存中，然后再復(fù)制到用戶空間的內(nèi)存中。) 但也有一個(gè)很明顯的缺陷——不可靠，寫到mmap中的數(shù)據(jù)并沒有被真正的寫到硬盤，操作系統(tǒng)會(huì)在程序主動(dòng)調(diào)用flush的時(shí)候才把數(shù)據(jù)真正的寫到硬盤。

Kafka提供了一個(gè)參數(shù)——producer.type來控制是不是主動(dòng)flush，如果Kafka寫入到mmap之后就立即flush然后再返回Producer叫 同步 (sync);寫入mmap之后立即返回Producer不調(diào)用flush叫異步 (async)。

二、讀取數(shù)據(jù)

Kafka在讀取磁盤時(shí)做了哪些優(yōu)化?

基于sendfile實(shí)現(xiàn)Zero Copy

傳統(tǒng)模式下，當(dāng)需要對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候，其具體流程細(xì)節(jié)如下：

1. 基于sendfile實(shí)現(xiàn)Zero Copy調(diào)用read函數(shù)，文件數(shù)據(jù)被copy到內(nèi)核緩沖區(qū)
2. read函數(shù)返回，文件數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)copy到用戶緩沖區(qū)
3. write函數(shù)調(diào)用，將文件數(shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū)copy到內(nèi)核與socket相關(guān)的緩沖區(qū)。
4. 數(shù)據(jù)從socket緩沖區(qū)copy到相關(guān)協(xié)議引擎。

以上細(xì)節(jié)是傳統(tǒng)read/write方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)文件傳輸?shù)姆绞剑覀兛梢钥吹剑谶@個(gè)過程當(dāng)中，文件數(shù)據(jù)實(shí)際上是經(jīng)過了四次copy操作：

• 硬盤—>內(nèi)核buf—>用戶buf—>socket相關(guān)緩沖區(qū)—>協(xié)議引擎

而sendfile系統(tǒng)調(diào)用則提供了一種減少以上多次copy，提升文件傳輸性能的方法。

在內(nèi)核版本2.1中，引入了sendfile系統(tǒng)調(diào)用，以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)上和兩個(gè)本地文件之間的數(shù)據(jù)傳輸。sendfile的引入不僅減少了數(shù)據(jù)復(fù)制，還減少了上下文切換。 sendfile(socket, file, len);

運(yùn)行流程如下：

1. sendfile系統(tǒng)調(diào)用，文件數(shù)據(jù)被copy至內(nèi)核緩沖區(qū)
2. 再從內(nèi)核緩沖區(qū)copy至內(nèi)核中socket相關(guān)的緩沖區(qū)
3. 最后再socket相關(guān)的緩沖區(qū)copy到協(xié)議引擎 相較傳統(tǒng)read/write方式，2.1版本內(nèi)核引進(jìn)的sendfile已經(jīng)減少了內(nèi)核緩沖區(qū)到user緩沖區(qū)，再由user緩沖區(qū)到socket相關(guān)緩沖區(qū)的文件copy，而在內(nèi)核版本2.4之后，文件描述符結(jié)果被改變，sendfile實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單的方式，再次減少了一次copy操作。

在Apache、Nginx、lighttpd等web服務(wù)器當(dāng)中，都有一項(xiàng)sendfile相關(guān)的配置，使用sendfile可以大幅提升文件傳輸性能。

Kafka把所有的消息都存放在一個(gè)一個(gè)的文件中，當(dāng)消費(fèi)者需要數(shù)據(jù)的時(shí)候Kafka直接把文件發(fā)送給消費(fèi)者，配合mmap作為文件讀寫方式，直接把它傳給sendfile。

批量壓縮

在很多情況下，系統(tǒng)的瓶頸不是CPU或磁盤，而是網(wǎng)絡(luò)IO，對(duì)于需要在廣域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心之間發(fā)送消息的數(shù)據(jù)流水線尤其如此。進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮會(huì)消耗少量的CPU資源,不過對(duì)于kafka而言,網(wǎng)絡(luò)IO更應(yīng)該需要考慮。

1. 如果每個(gè)消息都?jí)嚎s，但是壓縮率相對(duì)很低，所以Kafka使用了批量壓縮，即將多個(gè)消息一起壓縮而不是單個(gè)消息壓縮
2. Kafka允許使用遞歸的消息集合，批量的消息可以通過壓縮的形式傳輸并且在日志中也可以保持壓縮格式，直到被消費(fèi)者解壓縮
3. Kafka支持多種壓縮協(xié)議，包括Gzip和Snappy壓縮協(xié)議

三、總結(jié)

Kafka速度的秘訣在于，它把所有的消息都變成一個(gè)批量的文件，并且進(jìn)行合理的批量壓縮，減少網(wǎng)絡(luò)IO損耗，通過mmap提高I/O速度，寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候由于單個(gè)Partion是末尾添加所以速度最優(yōu);讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候配合sendfile直接暴力輸出。