【Kafka系列 08】生产者消息分区机制详解

一、前言

我们在使用 Apache Kafka 生产和消费消息的时候，肯定是希望能够将数据均匀地分配到所有服务器上。

比如很多公司使用 Kafka 收集应用服务器的日志数据，这种数据都是很多的，特别是对于那种大批量机器组成的集群环境，每分钟产生的日志量都能以 GB 数，因此如何将这么大的数据量均匀地分配到 Kafka 的各个 Broker 上，就成为一个非常重要的问题。

二、为什么分区？

如果你对 Kafka 分区（Partition）的概念还不熟悉，可以先返回专栏【Kafka系列 01】Kafka 是什么？ 回顾一下。

Kafka 有主题（Topic）的概念，它是承载真实数据的逻辑容器，而在主题之下还分为若干个分区，也就是说 Kafka 的消息组织方式实际上是三级结构：主题 - 分区 - 消息。主题下的每条消息只会保存在某一个分区中，而不会在多个分区中被保存多份。官网上的这张图非常清晰地展示了 Kafka 的三级结构，如下所示：

现在你可以先思考一下：你觉得为什么 Kafka 要做这样的设计？为什么使用分区的概念而不是直接使用多个主题呢？

其实分区的作用就是提供负载均衡的能力，或者说对数据进行分区的主要原因，就是为了实现系统的高伸缩性（Scalability）。

不同的分区能够被放置到不同节点的机器上，而数据的读写操作也都是针对分区这个粒度而进行的，这样每个节点的机器都能独立地执行各自分区的读写请求处理。并且，我们还可以通过添加新的节点机器来增加整体系统的吞吐量。

注：不同的分布式系统对分区的叫法也不尽相同。比如在 Kafka 中叫分区，在 MongoDB 和 Elasticsearch 中就叫分片 Shard，而在 HBase 中则叫 Region，在 Cassandra 中又被称作 vnode。从表面看起来它们实现原理可能不尽相同，但对底层分区（Partitioning）的整体思想却从未改变。

除了提供负载均衡这种最核心的功能之外，利用分区也可以实现其他一些业务级别的需求，比如实现业务级别的消息顺序的问题。

三、分区策略

所谓分区策略是决定生产者将消息发送到哪个分区的算法。Kafka 为我们提供了默认的分区策略，同时它也支持你自定义分区策略。

如果要自定义分区策略，你需要显式地配置生产者端的参数 partitioner.class。这个参数该怎么设定呢？方法很简单，在编写生产者程序时，你可以编写一个具体的类实现org.apache.kafka.clients.producer.Partitioner 接口。这个接口也很简单，只定义了两个方法：partition() 和 close()，通常你只需要实现最重要的 partition 方法。我们来看看这个方法的方法签名：

int partition(String topic, Object key, byte[] keyBytes, Object value, byte[] valueBytes, Cluster cluster);

这里的 topic、key、keyBytes、value 和 valueBytes 都属于消息数据，cluster 则是集群信息（比如当前 Kafka 集群共有多少主题、多少 Broker 等）。Kafka 给你这么多信息，就是希望让你能够充分地利用这些信息对消息进行分区，计算出它要被发送到哪个分区中。只要你自己的实现类定义好了 partition 方法，同时设置 partitioner.class 参数为你自己实现类的 Full Qualified Name，那么生产者程序就会按照你的代码逻辑对消息进行分区。虽说可以有无数种分区的可能，但比较常见的分区策略也就那么几种，下面我来详细介绍一下。

3.1 轮询策略

也称 Round-robin 策略，即顺序分配。比如一个主题下有 3 个分区，那么第一条消息被发送到分区 0，第二条被发送到分区 1，第三条被发送到分区 2，以此类推。当生产第 4 条消息时又会重新开始，即将其分配到分区 0，就像下面这张图展示的那样。

这就是所谓的轮询策略。轮询策略是 Kafka Java 生产者 API 默认提供的分区策略。如果你未指定partitioner.class 参数，那么你的生产者程序会按照轮询的方式在主题的所有分区间均匀地“码放”消息。 

轮询策略有非常优秀的负载均衡表现，它总是能保证消息最大限度地被平均分配到所有分区上，故默认情况下它是最合理的分区策略，也是我们最常用的分区策略之一。

3.2 随机策略

也称 Randomness 策略。所谓随机就是我们随意地将消息放置到任意一个分区上，如下面这张图所示。

如果要实现随机策略版的 partition 方法，很简单，只需要两行代码即可：

List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
return ThreadLocalRandom.current().nextInt(partitions.size());

先计算出该主题总的分区数，然后随机地返回一个小于它的正整数。

本质上看随机策略也是力求将数据均匀地打散到各个分区，但从实际表现来看，它要逊于轮询策略，所以如果追求数据的均匀分布，还是使用轮询策略比较好。事实上，随机策略是老版本生产者使用的分区策略，在新版本中已经改为轮询了。 

3.3 按消息键保序策略

也称 Key-ordering 策略。有点尴尬的是，这个名词是我自己编的，Kafka 官网上并无这样的提法。

Kafka 允许为每条消息定义消息键，简称为 Key。这个 Key 的作用非常大，它可以是一个有着明确业务含义的字符串，比如客户代码、部门编号或是业务 ID 等；也可以用来表征消息元数据。特别是在 Kafka 不支持时间戳的年代，在一些场景中，工程师们都是直接将消息创建时间封装进 Key 里面的。一旦消息被定义了 Key，那么你就可以保证同一个 Key 的所有消息都进入到相同的分区里面，由于每个分区下的消息处理都是有顺序的，故这个策略被称为按消息键保序策略，如下图所示。

实现这个策略的 partition 方法同样简单，只需要下面两行代码即可：

List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
return Math.abs(key.hashCode()) % partitions.size();

前面提到的 Kafka 默认分区策略实际上同时实现了两种策略：如果指定了 Key，那么默认实现按消息键保序策略；如果没有指定 Key，则使用轮询策略。

3.4 其他分区策略

上面这几种分区策略都是比较基础的策略，除此之外你还能想到哪些有实际用途的分区策略？其实还有一种比较常见的，即所谓的基于地理位置的分区策略。当然这种策略一般只针对那些大规模的 Kafka 集群，特别是跨城市、跨国家甚至是跨大洲的集群。

四、小结

今天我们讨论了 Kafka 生产者消息分区的机制以及常见的几种分区策略。切记分区是实现负载均衡以及高吞吐量的关键，故在生产者这一端就要仔细盘算合适的分区策略，避免造成消息数据的“倾斜”，使得某些分区成为性能瓶颈，这样极易引发下游数据消费的性能下降。