2.2 原理分析

在前面的章节中，我们已经了解了KafkaProducer的具体使用方法，而本节的内容主要是对Kafka 生产者客户端的内部原理进行分析，通过了解生产者客户端的整体脉络可以让我们更好地使用它，避免因为一些理解上的偏差而造成使用上的错误。

2.2.1 整体架构

在2.1.4节的开头介绍了消息在真正发往Kafka之前，有可能需要经历拦截器（Interceptor）、序列化器（Serializer）和分区器（Partitioner）等一系列的作用，那么在此之后又会发生什么呢？下面我们来看一下生产者客户端的整体架构，如图2-1所示。

整个生产者客户端由两个线程协调运行，这两个线程分别为主线程和Sender线程（发送线程）。在主线程中由KafkaProducer创建消息，然后通过可能的拦截器、序列化器和分区器的作用之后缓存到消息累加器（RecordAccumulator，也称为消息收集器）中。Sender 线程负责从RecordAccumulator中获取消息并将其发送到Kafka中。

RecordAccumulator 主要用来缓存消息以便 Sender 线程可以批量发送，进而减少网络传输的资源消耗以提升性能。RecordAccumulator 缓存的大小可以通过生产者客户端参数buffer.memory 配置，默认值为 33554432B，即 32MB。如果生产者发送消息的速度超过发送到服务器的速度，则会导致生产者空间不足，这个时候KafkaProducer的send（）方法调用要么被阻塞，要么抛出异常，这个取决于参数max.block.ms的配置，此参数的默认值为60000，即60秒。

主线程中发送过来的消息都会被追加到RecordAccumulator的某个双端队列（Deque）中，在 RecordAccumulator 的内部为每个分区都维护了一个双端队列，队列中的内容就是ProducerBatch，即 Deque＜ProducerBatch＞。消息写入缓存时，追加到双端队列的尾部；Sender读取消息时，从双端队列的头部读取。注意ProducerBatch不是ProducerRecord，ProducerBatch中可以包含一至多个 ProducerRecord。通俗地说，ProducerRecord 是生产者中创建的消息，而ProducerBatch是指一个消息批次，ProducerRecord会被包含在ProducerBatch中，这样可以使字节的使用更加紧凑。与此同时，将较小的ProducerRecord拼凑成一个较大的ProducerBatch，也可以减少网络请求的次数以提升整体的吞吐量。ProducerBatch和消息的具体格式有关，更多的详细内容可以参考 5.2 节。如果生产者客户端需要向很多分区发送消息，则可以将buffer.memory参数适当调大以增加整体的吞吐量。

消息在网络上都是以字节（Byte）的形式传输的，在发送之前需要创建一块内存区域来保存对应的消息。在Kafka生产者客户端中，通过java.io.ByteBuffer实现消息内存的创建和释放。不过频繁的创建和释放是比较耗费资源的，在RecordAccumulator的内部还有一个BufferPool，它主要用来实现ByteBuffer的复用，以实现缓存的高效利用。不过BufferPool只针对特定大小的ByteBuffer进行管理，而其他大小的ByteBuffer不会缓存进BufferPool中，这个特定的大小由batch.size参数来指定，默认值为16384B，即16KB。我们可以适当地调大batch.size参数以便多缓存一些消息。

ProducerBatch的大小和batch.size参数也有着密切的关系。当一条消息（ProducerRecord）流入RecordAccumulator时，会先寻找与消息分区所对应的双端队列（如果没有则新建），再从这个双端队列的尾部获取一个 ProducerBatch（如果没有则新建），查看 ProducerBatch 中是否还可以写入这个 ProducerRecord，如果可以则写入，如果不可以则需要创建一个新的ProducerBatch。在新建ProducerBatch时评估这条消息的大小是否超过batch.size参数的大小，如果不超过，那么就以 batch.size 参数的大小来创建 ProducerBatch，这样在使用完这段内存区域之后，可以通过BufferPool 的管理来进行复用；如果超过，那么就以评估的大小来创建ProducerBatch，这段内存区域不会被复用。

Sender 从 RecordAccumulator 中获取缓存的消息之后，会进一步将原本＜分区，Deque＜ProducerBatch＞＞的保存形式转变成＜Node，List＜ ProducerBatch＞的形式，其中Node表示Kafka集群的broker节点。对于网络连接来说，生产者客户端是与具体的broker节点建立的连接，也就是向具体的 broker 节点发送消息，而并不关心消息属于哪一个分区；而对于 KafkaProducer的应用逻辑而言，我们只关注向哪个分区中发送哪些消息，所以在这里需要做一个应用逻辑层面到网络I/O层面的转换。

在转换成＜Node，List＜ProducerBatch＞＞的形式之后，Sender 还会进一步封装成＜Node，Request＞的形式，这样就可以将Request请求发往各个Node了，这里的Request是指Kafka的各种协议请求，对于消息发送而言就是指具体的 ProduceRequest，更多与 Kafka 协议有关的内容可以参考6.1节。

请求在从Sender线程发往Kafka之前还会保存到InFlightRequests中，InFlightRequests保存对象的具体形式为 Map＜NodeId，Deque＜Request＞＞，它的主要作用是缓存了已经发出去但还没有收到响应的请求（NodeId 是一个 String 类型，表示节点的 id 编号）。与此同时，InFlightRequests还提供了许多管理类的方法，并且通过配置参数还可以限制每个连接（也就是客户端与Node之间的连接）最多缓存的请求数。这个配置参数为max.in.flight.requests.per.connection，默认值为 5，即每个连接最多只能缓存 5 个未响应的请求，超过该数值之后就不能再向这个连接发送更多的请求了，除非有缓存的请求收到了响应（Response）。通过比较Deque＜Request＞的size与这个参数的大小来判断对应的Node中是否已经堆积了很多未响应的消息，如果真是如此，那么说明这个 Node 节点负载较大或网络连接有问题，再继续向其发送请求会增大请求超时的可能。

2.2.2 元数据的更新

2.2.1节中提及的InFlightRequests还可以获得leastLoadedNode，即所有Node中负载最小的那一个。这里的负载最小是通过每个Node在InFlightRequests中还未确认的请求决定的，未确认的请求越多则认为负载越大。对于图 2-2 中的 InFlightRequests 来说，图中展示了三个节点Node0、Node1和Node2，很明显Node1的负载最小。也就是说，Node1为当前的leastLoadedNode。选择leastLoadedNode发送请求可以使它能够尽快发出，避免因网络拥塞等异常而影响整体的进度。leastLoadedNode的概念可以用于多个应用场合，比如元数据请求、消费者组播协议的交互。

我们使用如下的方式创建了一条消息ProducerRecord：

我们只知道主题的名称，对于其他一些必要的信息却一无所知。KafkaProducer要将此消息追加到指定主题的某个分区所对应的leader副本之前，首先需要知道主题的分区数量，然后经过计算得出（或者直接指定）目标分区，之后KafkaProducer需要知道目标分区的leader副本所在的broker 节点的地址、端口等信息才能建立连接，最终才能将消息发送到 Kafka，在这一过程中所需要的信息都属于元数据信息。

在2.1.1节中我们了解了bootstrap.servers参数只需要配置部分broker节点的地址即可，不需要配置所有broker节点的地址，因为客户端可以自己发现其他broker节点的地址，这一过程也属于元数据相关的更新操作。与此同时，分区数量及leader副本的分布都会动态地变化，客户端也需要动态地捕捉这些变化。

元数据是指Kafka集群的元数据，这些元数据具体记录了集群中有哪些主题，这些主题有哪些分区，每个分区的leader副本分配在哪个节点上，follower副本分配在哪些节点上，哪些副本在AR、ISR等集合中，集群中有哪些节点，控制器节点又是哪一个等信息。

当客户端中没有需要使用的元数据信息时，比如没有指定的主题信息，或者超过metadata.max.age.ms 时间没有更新元数据都会引起元数据的更新操作。客户端参数metadata.max.age.ms的默认值为300000，即5分钟。元数据的更新操作是在客户端内部进行的，对客户端的外部使用者不可见。当需要更新元数据时，会先挑选出leastLoadedNode，然后向这个Node发送MetadataRequest请求来获取具体的元数据信息。这个更新操作是由Sender线程发起的，在创建完MetadataRequest之后同样会存入InFlightRequests，之后的步骤就和发送消息时的类似。元数据虽然由Sender线程负责更新，但是主线程也需要读取这些信息，这里的数据同步通过synchronized和final关键字来保障。