高并發(fā)幾十萬(wàn)的寫入，Kafka是如何實(shí)現(xiàn)的？
開篇
當(dāng)下流行的MQ有很多，因?yàn)槲覀児驹诩夹g(shù)選型上選擇了使用Kafka，所以我就整理了一篇關(guān)于Kafka的入門知識(shí)。通過技術(shù)選型 我們對(duì)業(yè)界主流的MQ進(jìn)行了對(duì)比，Kakfa最大的優(yōu)點(diǎn)就是吞吐量高 。
Kafka是高吞吐低延遲的高并發(fā)、高性能的消息中間件，在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域有極為廣泛的運(yùn)用。配置良好的Kafka集群甚至可以做到每秒幾十萬(wàn)、上百萬(wàn)的超高并發(fā)寫入。
那么Kafka是如何做到這么高的吞吐量和性能的呢?在入門之后我們就來深入的扒一下Kafka的架構(gòu)設(shè)計(jì)原理，掌握這些原理在互聯(lián)網(wǎng)面試中會(huì)占據(jù)優(yōu)勢(shì)
持久化
Kafka對(duì)消息的存儲(chǔ)和緩存依賴于文件系統(tǒng)，每次接收數(shù)據(jù)都會(huì)往磁盤上寫，人們對(duì)于“磁盤速度慢”的普遍印象，使得人們對(duì)于持久化的架構(gòu)能夠提供強(qiáng)有力的性能產(chǎn)生懷疑。
事實(shí)上，磁盤的速度比人們預(yù)期的要慢的多，也快得多，這取決于人們使用磁盤的方式。而且設(shè)計(jì)合理的磁盤結(jié)構(gòu)通常可以和網(wǎng)絡(luò)一樣快。
通過上圖對(duì)比，我們可以看出實(shí)際上順序磁盤訪問在某些情況下比隨機(jī)內(nèi)存訪問還要快，其實(shí)Kafka就是利用這一優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)高性能寫磁盤
See：http://kafka.apachecn.org/documentation.html#persistence
頁(yè)緩存技術(shù) + 磁盤順序?qū)?/strong>
Kafka 為了保證磁盤寫入性能，首先Kafka是基于操作系統(tǒng)的頁(yè)緩存來實(shí)現(xiàn)文件寫入的。
操作系統(tǒng)本身有一層緩存，叫做page cache，是在內(nèi)存里的緩存，我們也可以稱之為os cache，意思就是操作系統(tǒng)自己管理的緩存。
你在寫磁盤文件的時(shí)候，可以直接寫入os cache 中，也就是僅僅寫入內(nèi)存中，接下來由操作系統(tǒng)自己決定什么時(shí)候把os cache 里的數(shù)據(jù)真的刷入到磁盤中。
通過上圖這種方式可以將磁盤文件的寫性能提升很多，其實(shí)這種方式相當(dāng)于寫內(nèi)存，不是在寫磁盤
順序?qū)懘疟P
另外還有非常關(guān)鍵的一點(diǎn)，Kafka在寫數(shù)據(jù)的時(shí)候是以磁盤順序?qū)懙姆绞絹砺浔P的，也就是說，僅僅將數(shù)據(jù)追加到文件的末尾(append)，而不是在文件的隨機(jī)位置來修改數(shù)據(jù)。
對(duì)于普通的機(jī)械硬盤如果你要是隨機(jī)寫的話，確實(shí)性能極低，這里涉及到磁盤尋址的問題。但是如果只是追加文件末尾按照順序的方式來寫數(shù)據(jù)的話，那么這種磁盤順序?qū)懙男阅芑旧峡梢愿鷮憙?nèi)存的性能本身是差不多的。
來總結(jié)一下： Kafka就是基于頁(yè)緩存技術(shù) + 磁盤順序?qū)?技術(shù)實(shí)現(xiàn)了寫入數(shù)據(jù)的超高性能。
所以要保證每秒寫入幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)條數(shù)據(jù)的核心點(diǎn)，就是盡最大可能提升每條數(shù)據(jù)寫入的性能，這樣就可以在單位時(shí)間內(nèi)寫入更多的數(shù)據(jù)量，提升吞吐量。
零拷貝技術(shù)(zero-copy)
說完了寫入這塊，再來談?wù)勏M(fèi)這塊。
大家應(yīng)該都知道，從Kafka里我們經(jīng)常要消費(fèi)數(shù)據(jù)，那么消費(fèi)的時(shí)候?qū)嶋H上就是要從kafka的磁盤文件里讀取某條數(shù)據(jù)然后發(fā)送給下游的消費(fèi)者，如下圖所示：
如果Kafka以上面這種方式從磁盤中讀取數(shù)據(jù)發(fā)送給下游的消費(fèi)者，大概過程是：
- 先看看要讀的數(shù)據(jù)在不在os cache中，如果不在的話就從磁盤文件里讀取數(shù)據(jù)后放入os cache
- 接著從操作系統(tǒng)的os cache 里拷貝數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序進(jìn)程的緩存里，再?gòu)膽?yīng)用程序進(jìn)程的緩存里拷貝數(shù)據(jù)到操作系統(tǒng)層面的Socket緩存里，最后從Soket緩存里提取數(shù)據(jù)后發(fā)送到網(wǎng)卡，最后發(fā)送出去給下游消費(fèi)者
整個(gè)過程如下圖：
從上圖可以看出，這整個(gè)過程有兩次沒必要的拷貝
一次是從操作系統(tǒng)的cache里拷貝到應(yīng)用進(jìn)程的緩存里，接著又從應(yīng)用程序緩存里拷貝回操作系統(tǒng)的Socket緩存里。
而且為了進(jìn)行這兩次拷貝，中間還發(fā)生了好幾次上下文切換，一會(huì)兒是應(yīng)用程序在執(zhí)行，一會(huì)兒上下文切換到操作系統(tǒng)來執(zhí)行。
所以這種方式來讀取數(shù)據(jù)是比較消耗性能的。
Kafka 為了解決這個(gè)問題，在讀數(shù)據(jù)的時(shí)候是引入零拷貝技術(shù)。
也就是說，直接讓操作系統(tǒng)的cache中的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)卡后傳出給下游的消費(fèi)者，中間跳過了兩次拷貝數(shù)據(jù)的步驟，Socket緩存中僅僅會(huì)拷貝一個(gè)描述符過去，不會(huì)拷貝數(shù)據(jù)到Socket緩存。
體會(huì)一下這個(gè)精妙的過程吧
通過零拷貝技術(shù)，就不需要把os cache里的數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用緩存，再?gòu)膽?yīng)用緩存拷貝到Socket緩存了，兩次拷貝都省略了，所以叫做零拷貝。
對(duì)Socket緩存僅僅就是拷貝數(shù)據(jù)的描述符過去，然后數(shù)據(jù)就直接從os cache中發(fā)送到網(wǎng)卡上去了，這個(gè)過程大大的提升了數(shù)據(jù)消費(fèi)時(shí)讀取文件數(shù)據(jù)的性能。
而且大家會(huì)注意到，在從磁盤讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)先看看os cache內(nèi)存中是否有，如果有的話，其實(shí)讀數(shù)據(jù)都是直接讀內(nèi)存的。
如果kafka集群經(jīng)過良好的調(diào)優(yōu)，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)都是直接寫入os cache中，然后讀數(shù)據(jù)的時(shí)候也是從os cache中讀。
相當(dāng)于是Kafka完全基于內(nèi)存提供數(shù)據(jù)的寫和讀了，所以這個(gè)整體性能會(huì)極其的高。
總結(jié)
通過學(xué)習(xí)Kafka的優(yōu)秀設(shè)計(jì)，我們了解了Kafka底層的頁(yè)緩存技術(shù)的使用，磁盤順序?qū)懙乃悸罚约傲憧截惣夹g(shù)的運(yùn)用，才能使得Kafka有那么高的性能，做到每秒幾十萬(wàn)的吞吐量。
名詞解釋
吞吐量(TPS)：吞吐量是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、端口、虛電路或其他設(shè)施，單位時(shí)間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量(以比特、字節(jié)、分組等測(cè)量)
