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954
专栏/Kafka核心技术与实战/15 消费者组到底是什么？.md.html Normal file
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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>15 消费者组到底是什么？</h1>
<p>你好，我是胡夕。今天我要和你分享的主题是：Kafka 的消费者组。</p>
<p>消费者组，即 Consumer Group，应该算是 Kafka 比较有亮点的设计了。那么何谓 Consumer Group 呢？用一句话概括就是：<strong>Consumer Group 是 Kafka 提供的可扩展且具有容错性的消费者机制</strong>。既然是一个组，那么组内必然可以有多个消费者或消费者实例（Consumer Instance），它们共享一个公共的 ID，这个 ID 被称为 Group ID。组内的所有消费者协调在一起来消费订阅主题（Subscribed Topics）的所有分区（Partition）。当然，每个分区只能由同一个消费者组内的一个 Consumer 实例来消费。个人认为，理解 Consumer Group 记住下面这三个特性就好了。</p>
<ol>
<li>Consumer Group 下可以有一个或多个 Consumer 实例。这里的实例可以是一个单独的进程，也可以是同一进程下的线程。在实际场景中，使用进程更为常见一些。</li>
<li>Group ID 是一个字符串，在一个 Kafka 集群中，它标识唯一的一个 Consumer Group。</li>
<li>Consumer Group 下所有实例订阅的主题的单个分区，只能分配给组内的某个 Consumer 实例消费。这个分区当然也可以被其他的 Group 消费。</li>
</ol>
<p>你应该还记得我在专栏[第 1 期]中提到的两种消息引擎模型吧？它们分别是<strong>点对点模型和发布 / 订阅模型</strong>，前者也称为消费队列。当然，你要注意区分很多架构文章中涉及的消息队列与这里的消息队列。国内很多文章都习惯把消息中间件这类框架统称为消息队列，我在这里不评价这种提法是否准确，只是想提醒你注意这里所说的消息队列，特指经典的消息引擎模型。</p>
<p>好了，传统的消息引擎模型就是这两大类，它们各有优劣。我们来简单回顾一下。传统的消息队列模型的缺陷在于消息一旦被消费，就会从队列中被删除，而且只能被下游的一个 Consumer 消费。严格来说，这一点不算是缺陷，只能算是它的一个特性。但很显然，这种模型的伸缩性（scalability）很差，因为下游的多个 Consumer 都要“抢”这个共享消息队列的消息。发布 / 订阅模型倒是允许消息被多个 Consumer 消费，但它的问题也是伸缩性不高，因为每个订阅者都必须要订阅主题的所有分区。这种全量订阅的方式既不灵活，也会影响消息的真实投递效果。</p>
<p>如果有这么一种机制，既可以避开这两种模型的缺陷，又兼具它们的优点，那就太好了。幸运的是，Kafka 的 Consumer Group 就是这样的机制。当 Consumer Group 订阅了多个主题后，组内的每个实例不要求一定要订阅主题的所有分区，它只会消费部分分区中的消息。</p>
<p>Consumer Group 之间彼此独立，互不影响，它们能够订阅相同的一组主题而互不干涉。再加上 Broker 端的消息留存机制，Kafka 的 Consumer Group 完美地规避了上面提到的伸缩性差的问题。可以这么说，<strong>Kafka 仅仅使用 Consumer Group 这一种机制，却同时实现了传统消息引擎系统的两大模型</strong>：如果所有实例都属于同一个 Group，那么它实现的就是消息队列模型；如果所有实例分别属于不同的 Group，那么它实现的就是发布 / 订阅模型。</p>
<p>在了解了 Consumer Group 以及它的设计亮点之后，你可能会有这样的疑问：在实际使用场景中，我怎么知道一个 Group 下该有多少个 Consumer 实例呢？<strong>理想情况下，Consumer 实例的数量应该等于该 Group 订阅主题的分区总数。</strong></p>
<p>举个简单的例子，假设一个 Consumer Group 订阅了 3 个主题，分别是 A、B、C，它们的分区数依次是 1、2、3，那么通常情况下，为该 Group 设置 6 个 Consumer 实例是比较理想的情形，因为它能最大限度地实现高伸缩性。</p>
<p>你可能会问，我能设置小于或大于 6 的实例吗？当然可以！如果你有 3 个实例，那么平均下来每个实例大约消费 2 个分区（6 / 3 = 2）；如果你设置了 8 个实例，那么很遗憾，有 2 个实例（8 – 6 = 2）将不会被分配任何分区，它们永远处于空闲状态。因此，在实际使用过程中一般不推荐设置大于总分区数的 Consumer 实例。设置多余的实例只会浪费资源，而没有任何好处。</p>
<p>好了，说完了 Consumer Group 的设计特性，我们来讨论一个问题：针对 Consumer Group，Kafka 是怎么管理位移的呢？你还记得吧，消费者在消费的过程中需要记录自己消费了多少数据，即消费位置信息。在 Kafka 中，这个位置信息有个专门的术语：位移（Offset）。</p>
<p>看上去该 Offset 就是一个数值而已，其实对于 Consumer Group 而言，它是一组 KV 对，Key 是分区，V 对应 Consumer 消费该分区的最新位移。如果用 Java 来表示的话，你大致可以认为是这样的数据结构，即 Map&lt;TopicPartition, Long&gt;，其中 TopicPartition 表示一个分区，而 Long 表示位移的类型。当然，我必须承认 Kafka 源码中并不是这样简单的数据结构，而是要比这个复杂得多，不过这并不会妨碍我们对 Group 位移的理解。</p>
<p>我在专栏[第 4 期]中提到过 Kafka 有新旧客户端 API 之分，那自然也就有新旧 Consumer 之分。老版本的 Consumer 也有消费者组的概念，它和我们目前讨论的 Consumer Group 在使用感上并没有太多的不同，只是它管理位移的方式和新版本是不一样的。</p>
<p>老版本的 Consumer Group 把位移保存在 ZooKeeper 中。Apache ZooKeeper 是一个分布式的协调服务框架，Kafka 重度依赖它实现各种各样的协调管理。将位移保存在 ZooKeeper 外部系统的做法，最显而易见的好处就是减少了 Kafka Broker 端的状态保存开销。现在比较流行的提法是将服务器节点做成无状态的，这样可以自由地扩缩容，实现超强的伸缩性。Kafka 最开始也是基于这样的考虑，才将 Consumer Group 位移保存在独立于 Kafka 集群之外的框架中。</p>
<p>不过，慢慢地人们发现了一个问题，即 ZooKeeper 这类元框架其实并不适合进行频繁的写更新，而 Consumer Group 的位移更新却是一个非常频繁的操作。这种大吞吐量的写操作会极大地拖慢 ZooKeeper 集群的性能，因此 Kafka 社区渐渐有了这样的共识：将 Consumer 位移保存在 ZooKeeper 中是不合适的做法。</p>
<p>于是，在新版本的 Consumer Group 中，Kafka 社区重新设计了 Consumer Group 的位移管理方式，采用了将位移保存在 Kafka 内部主题的方法。这个内部主题就是让人既爱又恨的 __consumer_offsets。我会在专栏后面的内容中专门介绍这个神秘的主题。不过，现在你需要记住新版本的 Consumer Group 将位移保存在 Broker 端的内部主题中。</p>
<p>最后，我们来说说 Consumer Group 端大名鼎鼎的重平衡，也就是所谓的 Rebalance 过程。我形容其为“大名鼎鼎”，从某种程度上来说其实也是“臭名昭著”，因为有关它的 bug 真可谓是此起彼伏，从未间断。这里我先卖个关子，后面我会解释它“遭人恨”的地方。我们先来了解一下什么是 Rebalance。</p>
<p><strong>Rebalance 本质上是一种协议，规定了一个 Consumer Group 下的所有 Consumer 如何达成一致，来分配订阅 Topic 的每个分区</strong>。比如某个 Group 下有 20 个 Consumer 实例，它订阅了一个具有 100 个分区的 Topic。正常情况下，Kafka 平均会为每个 Consumer 分配 5 个分区。这个分配的过程就叫 Rebalance。</p>
<p>那么 Consumer Group 何时进行 Rebalance 呢？Rebalance 的触发条件有 3 个。</p>
<ol>
<li>组成员数发生变更。比如有新的 Consumer 实例加入组或者离开组，抑或是有 Consumer 实例崩溃被“踢出”组。</li>
<li>订阅主题数发生变更。Consumer Group 可以使用正则表达式的方式订阅主题，比如 consumer.subscribe(Pattern.compile(“t.*c”)) 就表明该 Group 订阅所有以字母 t 开头、字母 c 结尾的主题。在 Consumer Group 的运行过程中，你新创建了一个满足这样条件的主题，那么该 Group 就会发生 Rebalance。</li>
<li>订阅主题的分区数发生变更。Kafka 当前只能允许增加一个主题的分区数。当分区数增加时，就会触发订阅该主题的所有 Group 开启 Rebalance。</li>
</ol>
<p>Rebalance 发生时，Group 下所有的 Consumer 实例都会协调在一起共同参与。你可能会问，每个 Consumer 实例怎么知道应该消费订阅主题的哪些分区呢？这就需要分配策略的协助了。</p>
<p>当前 Kafka 默认提供了 3 种分配策略，每种策略都有一定的优势和劣势，我们今天就不展开讨论了，你只需要记住社区会不断地完善这些策略，保证提供最公平的分配策略，即每个 Consumer 实例都能够得到较为平均的分区数。比如一个 Group 内有 10 个 Consumer 实例，要消费 100 个分区，理想的分配策略自然是每个实例平均得到 10 个分区。这就叫公平的分配策略。如果出现了严重的分配倾斜，势必会出现这种情况：有的实例会“闲死”，而有的实例则会“忙死”。</p>
<p>我们举个简单的例子来说明一下 Consumer Group 发生 Rebalance 的过程。假设目前某个 Consumer Group 下有两个 Consumer，比如 A 和 B，当第三个成员 C 加入时，Kafka 会触发 Rebalance，并根据默认的分配策略重新为 A、B 和 C 分配分区，如下图所示：</p>
<p><img src="assets/2976713957cd4cc8cc796aa64222611b.png" alt="img" /></p>
<p>显然，Rebalance 之后的分配依然是公平的，即每个 Consumer 实例都获得了 3 个分区的消费权。这是我们希望出现的情形。</p>
<p>讲完了 Rebalance，现在我来说说它“遭人恨”的地方。</p>
<p>首先，Rebalance 过程对 Consumer Group 消费过程有极大的影响。如果你了解 JVM 的垃圾回收机制，你一定听过万物静止的收集方式，即著名的 stop the world，简称 STW。在 STW 期间，所有应用线程都会停止工作，表现为整个应用程序僵在那边一动不动。Rebalance 过程也和这个类似，在 Rebalance 过程中，所有 Consumer 实例都会停止消费，等待 Rebalance 完成。这是 Rebalance 为人诟病的一个方面。</p>
<p>其次，目前 Rebalance 的设计是所有 Consumer 实例共同参与，全部重新分配所有分区。其实更高效的做法是尽量减少分配方案的变动。例如实例 A 之前负责消费分区 1、2、3，那么 Rebalance 之后，如果可能的话，最好还是让实例 A 继续消费分区 1、2、3，而不是被重新分配其他的分区。这样的话，实例 A 连接这些分区所在 Broker 的 TCP 连接就可以继续用，不用重新创建连接其他 Broker 的 Socket 资源。</p>
<p>最后，Rebalance 实在是太慢了。曾经，有个国外用户的 Group 内有几百个 Consumer 实例，成功 Rebalance 一次要几个小时！这完全是不能忍受的。最悲剧的是，目前社区对此无能为力，至少现在还没有特别好的解决方案。所谓“本事大不如不摊上”，也许最好的解决方案就是避免 Rebalance 的发生吧。</p>
<h2>小结</h2>
<p>总结一下，今天我跟你分享了 Kafka Consumer Group 的方方面面，包括它是怎么定义的，它解决了哪些问题，有哪些特性。同时，我们也聊到了 Consumer Group 的位移管理以及著名的 Rebalance 过程。希望在你开发 Consumer 应用时，它们能够助你一臂之力。</p>
</div>
</div>
<div>
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