面試官問：Kafka為什么如此之快？
前言
天下武功，唯快不破。同樣的，kafka在消息隊列領域，也是非常快的，這里的塊指的是kafka在單位時間搬運的數據量大小，也就是吞吐量，下圖是搬運網上的一個性能測試結果，在同步發送場景下，單機Kafka的吞吐量高達17.3w/s，不愧是高吞吐量消息中間件的行業老大。
那究竟是什么原因讓kafka如此之快呢？這也是面試官非常喜歡問的問題。
四個原因
原因一：磁盤順序讀寫
生產者發送數據到kafka集群中，最終會寫入到磁盤中，會采用順序寫入的方式。消費者從kafka集群中獲取數據時，也是采用順序讀的方式。
無論是機械磁盤還是固態硬盤SSD，順序讀寫的速度都是遠大于隨機讀寫的。因為對于機械磁盤順序讀寫省去了磁頭頻繁尋址和旋轉盤片的開銷。而固態硬盤就更加復雜，這里不展開闡述。
下圖是網上關于讀寫方式的性能比較。
- 機械磁盤順序讀寫 53M/s，隨讀寫 316k/s
- 固態硬盤順序讀寫 42M/s, 隨機讀寫 1000k/s
因而，由于kafka一般使用機械磁盤存儲消息，因為機械磁盤的價格遠小于固態硬盤SSD。
原因二：PageCache頁緩存技術
前面提到了kafka采用順序讀寫寫入到磁盤中，難道是直接kafka到磁盤嗎，實際上不是的，中間多了一道操作系統的PageCache頁緩存，可以理解為內存。
- 當kafka有寫操作時，先將數據寫入PageCache中，然后在定時方式順序寫入到磁盤中。
- 當讀操作發生時，先從PageCache中查找，如果找不到，再去磁盤中讀取。
通過頁緩存技術，更近一步的提高了讀寫的性能。
原因三：零拷貝技術
kafka之所以快的另外一個原因是采用了零拷貝技術。
首先我們來看下從磁盤讀取數據到網卡場景下，傳統IO的整個過程，如下圖所示：
傳統IO模型下，從磁盤讀取數據，寫到網卡設備中，經歷了4次用戶態和內核態之間的切換，以及4次數據的拷貝，包括CPU拷貝和DMA拷貝。這些操作都是十分損耗性能。
DMA, Direct Memory Access, 直接內存訪問是一些計算機總線架構提供的功能，它能使數據從附加設備（如磁盤驅動器）直接發送到計算機主板的內存上。
那能否減少這樣的切換和拷貝呢？答案是肯定的，不知道大家發下沒有，kafka的消息在應用層做任何轉換，怎么存就怎么取，你看連序列化、反序列化都是在生產者和消費者做的。所以kafka采用了sendfile的零拷貝技術。
sendfile零拷貝技術在內核態將數據從PageCache拷貝到了Socket緩沖區，這樣就大大減少了不同形態的切換以及拷貝。
所謂的零拷貝技術不是指不發生拷貝，而是在用戶態沒有進行拷貝。
原因四：kafka分區架構和批量操作
一方面kafka的集群架構采用了多分區技術，并行度高。另外一方面，kafka采用了批量操作。生產者發送的消息先發送到一個隊列，然后有sender線程批量發送給kafka集群。
如何提高生產者的吞吐量？
kafka生產者提供的一些配置參數可以有助于提高生產者的吞吐量。
參數名稱 | 描述 |
buffer.memory | RecordAccumulator 緩沖區總大小，默認 32m。適當增加該值，可以提高吞吐量。 |
batch.size | 緩沖區一批數據最大值，默認 16k。適當增加該值，可以提高吞吐量，但是如果該值設置太大，會導致數據傳輸延遲增加。 |
linger.ms | 如果數據遲遲未達到 batch.size，sender線程等待 linger.time之后就會發送數據。單位 ms，默認值是 0ms，表示沒有延遲。生產環境建議該值大小為 5-100ms 之間。 |
compression.type | 指定消息的壓縮方式，默認值為“none "，即默認情況下，消息不會被壓縮。該參數還可以配置為 "gzip"，"snappy" 和 "lz4"。對消息進行壓縮可以極大地減少網絡傳輸、降低網絡 I/O，從而提高整體的性能 。 |
如何提高消費者的吞吐量?
- 如果是Kafka消費能力不足，則可以考慮增加Topic的分區數，并且同時提升消費組的消費者數量，消費者數 = 分區數，并發度最高。
- 如果是下游的數據處理不及時：提高每批次拉取的數量。批次拉取數據過少，使處理的數據小于生產的數據，也會造成數據積壓。
- fetch.max.bytes：默認 Default: 52428800（50 m）。消費者獲取服務器端一批消息最大的字節數。如果服務器端一批次的數據大于該值（50m）仍然可以拉取回來這批數據，因此，這不是一個絕、對最大值。一批次的大小受 message.max.bytes （broker config）or max.message.bytes （topic config）影響。
- max.poll.records：一次 poll 拉取數據返回消息的最大條數，默認是 500 條
- 優化消費者代碼處理的邏輯
總結
本文總結了Kafka為什么快的原因，4個關鍵字，磁盤順序讀寫，頁緩存技術，零拷貝技術，Kafka本身分區機制和批量操作。我們抓住這4個關鍵字，有點到面地和面試官娓娓道來。
Kafka 在性能上確實是一騎絕塵，但在消息選型過程中，我們不僅僅要參考其性能，還有從功能性上來考慮，例如 RocketMQ 提供了豐富的消息檢索功能、事務消息、消息消費重試、定時消息等。
通常在大數據、流式處理場景基本選用 Kafka，業務處理相關選擇 RocketMQ更佳。
