1. 主题的概念

Kafka中的消息以主题为单位进行归类,生产者负责将消息发送到特定的主题(发送到 Kafka集群中的每一条消息都要指定一个主题),而消费者负责订阅主题并进行消费。主题是一个逻辑上的概念。

2. 主题管理

主题的管理包括创建主题、 查看主题信息、修改主题和删除主题等操作。

  • kafka-topics.sh 脚本
  • KafkaAdminClient方式
  • 直接操纵日志文件和 ZooKeeper 节点来实现

实质上是在 ZooKeeper中的 /brokers/topics节点下创建与该主题对应的子节点并写入分区副本分配方案, 并且在 /config/topics/节点下创建与该主题对应的子节点并写入主题相关的配置信息。

2.1 创建主题

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# 创建了一个分区数为4、副本因子为2的主题,主题名为topic-create
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --create --topic topic-create --partitions 4 --replication-factor 2

# 1、查询节点1创建的主题分区
[root@hadoop101 logs]# ll -ls |grep topic-create
0 drwxr-xr-x. 2 root root 141 Jun 8 23:37 topic-create-0
0 drwxr-xr-x. 2 root root 141 Jun 8 23:37 topic-create-2
0 drwxr-xr-x. 2 root root 141 Jun 8 23:37 topic-create-3

# 2、查询节点2创建的主题分区
[root@hadoop102 logs]# ll -ls |grep topic-create
0 drwxr-xr-x. 2 root root 141 Jun 8 23:37 topic-create-0
0 drwxr-xr-x. 2 root root 141 Jun 8 23:37 topic-create-1

# 3、查询节点3创建的主题分区
[root@hadoop103 logs]# ll -ls |grep topic-create
0 drwxr-xr-x. 2 root root 141 Jun 8 23:37 topic-create-1
0 drwxr-xr-x. 2 root root 141 Jun 8 23:37 topic-create-2
0 drwxr-xr-x. 2 root root 141 Jun 8 23:37 topic-create-3

该主题在三个节点一共创建了8(4 * 2)个文件夹,按照3,2,3的分区副本个数分配给各个broker。

主题、分区、副本和log的关系如下图所示:

image-20240608231257588

2.2 分区副本的分配

kafka-topics.sh 脚本创建主题时的内部分配逻辑按照机架信息划分成两种策略:指定机架信息和未指定机架信息

  • 未指定机架信息:
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private def assignReplicasToBrokersRackUnaware(
nPartitions: Int, //分区数
replicationFactor: Int, //副本因子
brokerList: Seq[Int], //集群中broker列表
fixedStartIndex: Int, //起始索引,即第一个副本分配的位置,默认值为-1
startPartitionId: Int): Map[Int, Seq[Int]] = //起始分区编号,默认值为-1
{
// ret表示 <partition,Seq[replica所在brokerId]> 的关系
val ret = mutable.MapInt, Seq[Int]//保存分配结果的集合
val brokerArray = brokerList.toArray //brokerId的列表
// 如果起始索引fixedStartIndex小于0,则根据broker列表长度随机生成一个,以此来保证是有效的brokerId
val startIndex = if (fixedStartIndex >= 0) fixedStartIndex else rand.nextInt(brokerArray.length)
// 确保起始分区号不小于0
var currentPartitionId = math.max(0, startPartitionId)
// 指定了副本的间隔,目的是为了更均匀地将副本分配到不同的broker上
var nextReplicaShift = if (fixedStartIndex >= 0) fixedStartIndex else rand.nextInt(brokerArray.length)
// 轮询所有分区,将每个分区的副本分配到不同的broker上
for (_ <- 0 until nPartitions) {
//只有分区编号大于0且刚好分区编号已经轮流一遍broker时才递增下一个副本的间隔
if (currentPartitionId > 0 && (currentPartitionId % brokerArray.length == 0))
nextReplicaShift += 1
val firstReplicaIndex = (currentPartitionId + startIndex) % brokerArray.length
val replicaBuffer = mutable.ArrayBuffer(brokerArray(firstReplicaIndex))
// 保存该分区所有副本分配的broker集合
for (j <- 0 until replicationFactor - 1)
// 为其余的副本分配broker
replicaBuffer += brokerArray(replicaIndex(firstReplicaIndex, nextReplicaShift, j, brokerArray.length))
// 保存该分区所有副本的分配信息
ret.put(currentPartitionId, replicaBuffer)
// 继续为下一个分区分配副本
currentPartitionId += 1
}
ret
}
// 该方法是基于第一个副本分配的broker位置,再根据偏移量计算出后续副本被分配到的broker位置。
private def replicaIndex(
firstReplicaIndex : Int,
secondReplicaShift : Int,
replicaIndex : Int,
nBrokers : Int) : Int =
{
val shift = 1 + (secondReplicaShift + replicaIndex ) % ( nBrokers - 1 )
(firstReplicaIndex + shift) % nBrokers
}

assignReplicasToBrokersRackUnaware() 方法的核心是遍历每个分区 partition , 然后从brokerArray(brokerld 的列表)中选取replicationFactorbrokerld分配给这个partition

该方法首先创建一个可变的 Map 用来存放该方法将要返回的结果 ,即分区 partition 和分配副本的映射关系 。 由于 fixedStartlndex为 -1 ,所以 startlndex 是一个随机数,用来计算一个起始分配的 brokerId ,同时又因为 startPartitionld 为 -1 , 所以 currentPartitionld 的值为 0,可见默认情况下创建主题时总是从编号为0的分区依次轮询进行分配 。

举例说明:

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# 创建一个6分区3副本的主题
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --create --topic topic-test2 --replication-factor 3 --partitions 6

# 查询主题详情
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --describe --topic topic-test2
Topic:topic-test2 PartitionCount:6 ReplicationFactor:3 Configs:
Topic: topic-test2 Partition: 0 Leader: 2 Replicas: 2,0,1 Isr: 2,0,1
Topic: topic-test2 Partition: 1 Leader: 0 Replicas: 0,1,2 Isr: 0,1,2
Topic: topic-test2 Partition: 2 Leader: 1 Replicas: 1,2,0 Isr: 1,2,0
Topic: topic-test2 Partition: 3 Leader: 2 Replicas: 2,1,0 Isr: 2,1,0
Topic: topic-test2 Partition: 4 Leader: 0 Replicas: 0,2,1 Isr: 0,2,1
Topic: topic-test2 Partition: 5 Leader: 1 Replicas: 1,0,2 Isr: 1,0,2
  • 指定机架信息:

假设目前有三个机架rack1、rack2、rack3,kafka集群中的9个broker节点都部署在这3个机架之上,机架和broker节点的对照关系如下:

机架标识 节点标识
RACK1 0、1、2
RACK2 3、4、5
RACK3 6、7、8
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private def assignReplicasToBrokersRackAware(
nPartitions: Int,
replicationFactor: Int,
brokerMetadatas: Seq[BrokerMetadata],
fixedStartIndex: Int,
startPartitionId: Int): Map[Int, Seq[Int]] =
{
val brokerRackMap = brokerMetadatas.collect {
case BrokerMetadata(id, Some(rack)) => id -> rack
}.toMap
// 统计机架个数
val numRacks = brokerRackMap.values.toSet.size
// 基于机架信息生成一个Broker列表,不同机架上的Broker交替出现
val arrangedBrokerList = getRackAlternatedBrokerList(brokerRackMap)
// 统计broker个数
val numBrokers = arrangedBrokerList.size
val ret = mutable.Map[Int, Seq[Int]]()
val startIndex = if (fixedStartIndex >= 0) fixedStartIndex else rand.nextInt(arrangedBrokerList.size)
var currentPartitionId = math.max(0, startPartitionId)
var nextReplicaShift = if (fixedStartIndex >= 0) fixedStartIndex else rand.nextInt(arrangedBrokerList.size)
for (_ <- 0 until nPartitions) {
if (currentPartitionId > 0 && (currentPartitionId % arrangedBrokerList.size == 0))
nextReplicaShift += 1
val firstReplicaIndex = (currentPartitionId + startIndex) % arrangedBrokerList.size
// 第一个副本所在的broker即leader副本的broker
val leader = arrangedBrokerList(firstReplicaIndex)
// 每个分区的副本分配列表
val replicaBuffer = mutable.ArrayBuffer(leader)
// 每个分区中所分配的机架的列表集
val racksWithReplicas = mutable.Set(brokerRackMap(leader))
// 每个分区所分配的brokerId的列表集,和racksWithReplicas一起用来做一层筛选处理
val brokersWithReplicas = mutable.Set(leader)
var k = 0
for (_ <- 0 until replicationFactor - 1) {
var done = false
while (!done) {
val broker = arrangedBrokerList(replicaIndex(firstReplicaIndex, nextReplicaShift * numRacks, k, arrangedBrokerList.size))
val rack = brokerRackMap(broker)
if ((!racksWithReplicas.contains(rack) || racksWithReplicas.size == numRacks) && (!brokersWithReplicas.contains(broker) || brokersWithReplicas.size == numBrokers)) {
replicaBuffer += broker
racksWithReplicas += rack
brokersWithReplicas += broker
done = true
}
k += 1
}
}
ret.put(currentPartitionId, replicaBuffer)
currentPartitionId += 1
}
ret
}
// 其中
private def replicaIndex(
firstReplicaIndex : Int,
secondReplicaShift : Int,
replicaIndex : Int, nBrokers : Int) : Int =
{
val shift = 1 + (secondReplicaShift + replicaIndex ) % ( nBrokers - 1 )
(firstReplicaIndex + shift) % nBrokers
}

当创建一个主题时,无论是通过kafka-topic.sh脚本,还是通过其他方式创建主题;实质是在zk中的/brokers/topics节点下创建与该主题对应的子节点并写入分区副本分配方案,并且在/config/topics/节点下创建与该主题对应的子节点并写入主题相关的配置信息(这个步骤可以省略不执行)。而kafka创建主题的实行动作是交由控制器异步去完成的。

知道了kafka-topic脚本的实质后,我们可以直接使用zk的客户端在/broker/topics节点下创建响应的主题节点 并写入预先设定好的分配方案,这样就可以创建一个新的主题了。而且这种方式还可以绕过一些原本使用kafka-topic.sh创建主题时的一些限制,比如分区的序号可以不用从0开始连续累加。

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# zk创建节点
create /brokers/topics/topic-create-zk {"version":1,"partitions":{"2":[1,2],"1":[0,1],"3":[2,1],"0":[2,0]}}
# 查询主题详情
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --describe --topic topic-create-zk
Topic:topic-create-zk PartitionCount:4 ReplicationFactor:2 Configs:
Topic: topic-create-zk Partition: 0 Leader: 2 Replicas: 2,0 Isr: 2,0
Topic: topic-create-zk Partition: 1 Leader: 0 Replicas: 0,1 Isr: 0,1
Topic: topic-create-zk Partition: 2 Leader: 1 Replicas: 1,2 Isr: 1,2
Topic: topic-create-zk Partition: 3 Leader: 2 Replicas: 2,1 Isr: 2,1

2.3 查看主题

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# list 查看所有主题
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --list

# describe 查看主题详细信息
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --describe --topic topic-create,topic-demo

# topics-with-overrides 找出所有包含覆盖配置的主题
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --describe --topics-with-overrides

# under-replicated-partitions 找出所有包含失效副本的分区;包含失效副本的分区肯能正在进行同步操作,也有可能同步发生异常,此时分区的ISR集合小于AR集合
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --describe --topic topic-create --under-replicated-partitions

# unavailable-partitions 查看主题中没有leader副本的分区,这些副本已经处于离线状态,对于外界的生产者和消费者来说处于不可用的状态
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --describe --topic topic-create --unavailable-partitions

2.4 修改主题

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# alter 增加分区
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --alter --topic topic-config --partitions 3
# 查看主题详情
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --describe --topic topic-config

# alter 减少分区;目前kafka只支持增加分区数而不支持减少分区数

2.5 删除主题

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# 1. 常规删除 topicConfig.sh ;delete.topic.enable配置为true才可以删除成功
bin/kafka-topics.sh --zookeeper hadoop101:2181 --delete --topic topic-delete

# 2. 手动删除
# 2.1 删除zk中的节点/config/topics/topic-delete
rmr /config/topics/topic-delete

# 2.2 删除zk中的节点/brokers/topics/topic-delete
delete /brokers/topics/topic-delete

# 2.3 删除集群中所有与主题topic-delete有关的文件
rm -rf /tmp/kafka-logs/topic-delete*

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