[代码重构](master): 多线程开发消费者实例

2022年9月21日15:36:01

bigdata/kafka/README.md

@@ -1109,14 +1109,112 @@ while (true) {
 
 
 ### 2.12  多线程开发消费者实例
+- Kafka Java Consumer 设计原理
+  - 谈到 Java Consumer API，最重要的当属它的入口类 KafkaConsumer 了。我们说 KafkaConsumer 是单线程的设计，严格来说这是不准确的。因为，从 Kafka 0.10.1.0 版本开始，KafkaConsumer 就变为了双线程的设计，**即用户主线程和心跳线程**。
+  - 所谓用户主线程，就是你启动 Consumer 应用程序 main 方法的那个线程，而新引入的心跳线程（Heartbeat Thread）只负责定期给对应的 Broker 机器发送心跳请求，以标识消费者应用的存活性（liveness）。引入这个心跳线程还有一个目的，那就是期望它能将心跳频率与主线程调用 KafkaConsumer.poll 方法的频率分开，从而解耦真实的消息处理逻辑与消费者组成员存活性管理。
+  - 不过，虽然有心跳线程，**但实际的消息获取逻辑依然是在用户主线程中完成的**。因此，在消费消息的这个层面上，我们依然可以**安全地认为 KafkaConsumer 是单线程的设计**。
+  - 其实，在社区推出 Java Consumer API 之前，Kafka 中存在着一组统称为 Scala Consumer 的 API。这组 API，或者说这个 Consumer，也被称为老版本 Consumer，**目前在新版的 Kafka 代码中已经被完全移除了**。
+
+- 多线程方案
+  - 我们来具体分析一下 KafkaConsumer 这个类的使用方法，以及如何推演出对应的多线程方案。
+  - 我们要明确的是，**KafkaConsumer 类不是线程安全的 (thread-safe)**。所有的网络 I/O 处理都是发生在用户主线程中，因此，你在使用过程中必须要确保线程安全。简单来说，就是你不能在多个线程中共享同一个 KafkaConsumer 实例，否则程序会抛出 ConcurrentModificationException 异常。
+  - 当然了，这也不是绝对的。KafkaConsumer 中有个方法是例外的，它就是wakeup()，你可以在其他线程中安全地调用KafkaConsumer.wakeup()来唤醒 Consumer。
+  
+- 鉴于 KafkaConsumer 不是线程安全的事实，我们能够制定两套多线程方案。
+  - **消费者程序启动多个线程，每个线程维护专属的 KafkaConsumer 实例，负责完整的消息获取、消息处理流程**。如下图所示：
+  - ![KafkaConsumer多线程方案1](pic/KafkaConsumer多线程方案1.png)
+  - **消费者程序使用单或多线程获取消息，同时创建多个消费线程执行消息处理逻辑**。获取消息的线程可以是一个，也可以是多个，每个线程维护专属的 KafkaConsumer 实例，**处理消息则交由特定的线程池来做**，从而实现消息获取与消息处理的真正解耦。具体架构如下图所示：
+  - ![KafkaConsumer多线程方案2](pic/KafkaConsumer多线程方案2.png)
+  - 总体来说，这两种方案都会创建多个线程，这些线程都会参与到消息的消费过程中，但各自的思路是不一样的。
+  - 比如一个完整的消费者应用程序要做的事情是 1、2、3、4、5，那么方案 1 的思路是粗粒度化的工作划分，也就是说方案 1 会创建多个线程，每个线程完整地执行 1、2、3、4、5，以实现并行处理的目标，它不会进一步分割具体的子任务；
+    而方案 2 则更细粒度化，它会将 1、2 分割出来，用单线程（也可以是多线程）来做，对于 3、4、5，则用另外的多个线程来做。
+  - 这两种方案的优缺点，我们先来看看下面这张表格。
+  - ![KafkaConsumer多线程方案3](pic/KafkaConsumer多线程方案3.png)
+  - 我们先看方案 1，它的优势有 3 点。
+    - 实现起来简单，因为它比较符合目前我们使用 Consumer API 的习惯。我们在写代码的时候，使用多个线程并在每个线程中创建专属的 KafkaConsumer 实例就可以了。
+    - 多个线程之间彼此没有任何交互，省去了很多保障线程安全方面的开销。
+    - 由于每个线程使用专属的 KafkaConsumer 实例来执行消息获取和消息处理逻辑，因此，Kafka 主题中的每个分区都能保证只被一个线程处理，这样就很容易实现分区内的消息消费顺序。这对在乎事件先后顺序的应用场景来说，是非常重要的优势。
+  - 说完了方案 1 的优势，我们来看看这个方案的不足之处。
+    - 每个线程都维护自己的 KafkaConsumer 实例，必然会占用更多的系统资源，比如内存、TCP 连接等。在资源紧张的系统环境中，方案 1 的这个劣势会表现得更加明显。
+    - 这个方案能使用的线程数受限于 Consumer 订阅主题的总分区数。我们知道，在一个消费者组中，每个订阅分区都只能被组内的一个消费者实例所消费。假设一个消费者组订阅了 100 个分区，那么方案 1 最多只能扩展到 100 个线程，多余的线程无法分配到任何分区，只会白白消耗系统资源。
+      当然了，这种扩展性方面的局限可以被多机架构所缓解。除了在一台机器上启用 100 个线程消费数据，我们也可以选择在 100 台机器上分别创建 1 个线程，效果是一样的。因此，如果你的机器资源很丰富，这个劣势就不足为虑了。
+    - 每个线程完整地执行消息获取和消息处理逻辑。一旦消息处理逻辑很重，造成消息处理速度慢，就很容易出现不必要的 Rebalance，从而引发整个消费者组的消费停滞。这个劣势你一定要注意。我们之前讨论过如何避免 Rebalance，如果你不记得的话，可以回到专栏第 17 讲复习一下。
+  - 下面我们来说说方案 2。
+    - 与方案 1 的粗粒度不同，方案 2 将任务切分成了消息获取和消息处理两个部分，分别由不同的线程处理它们。比起方案 1，方案 2 的最大优势就在于它的高伸缩性，就是说我们可以独立地调节消息获取的线程数，以及消息处理的线程数，而不必考虑两者之间是否相互影响。
+      如果你的消费获取速度慢，那么增加消费获取的线程数即可；如果是消息的处理速度慢，那么增加 Worker 线程池线程数即可。
+  - 它的缺陷
+    - 它的实现难度要比方案 1 大得多，毕竟它有两组线程，你需要分别管理它们。
+    - 因为该方案将消息获取和消息处理分开了，也就是说获取某条消息的线程不是处理该消息的线程，因此无法保证分区内的消费顺序。举个例子，比如在某个分区中，消息 1 在消息 2 之前被保存，那么 Consumer 获取消息的顺序必然是消息 1 在前，消息 2 在后，但是，
+      后面的 Worker 线程却有可能先处理消息 2，再处理消息 1，这就破坏了消息在分区中的顺序。还是那句话，如果你在意 Kafka 中消息的先后顺序，方案 2 的这个劣势是致命的。
+    - 方案 2 引入了多组线程，使得整个消息消费链路被拉长，最终导致正确位移提交会变得异常困难，结果就是可能会出现消息的重复消费。如果你在意这一点，那么我不推荐你使用方案 2。
+- 实现代码示例
+- 分享一段方案 1 的主体代码：
+```java
+public class KafkaConsumerRunner implements Runnable {
+     private final AtomicBoolean closed = new AtomicBoolean(false);
+     private final KafkaConsumer consumer;
+ 
+ 
+     public void run() {
+         try {
+             consumer.subscribe(Arrays.asList("topic"));
+             while (!closed.get()) {
+			ConsumerRecords records = 
+				consumer.poll(Duration.ofMillis(10000));
+                 //  执行消息处理逻辑
+             }
+         } catch (WakeupException e) {
+             // Ignore exception if closing
+             if (!closed.get()) throw e;
+         } finally {
+             consumer.close();
+         }
+     }
+ 
+ 
+     // Shutdown hook which can be called from a separate thread
+     public void shutdown() {
+         closed.set(true);
+         consumer.wakeup();
+     }
+```
+- 这段代码创建了一个 Runnable 类，表示执行消费获取和消费处理的逻辑。每个 KafkaConsumerRunner 类都会创建一个专属的 KafkaConsumer 实例。在实际应用中，你可以创建多个 KafkaConsumerRunner 实例，并依次执行启动它们，以实现方案 1 的多线程架构。
 
+- 对于方案 2 来说，核心的代码是这样的：
+```java
+private final KafkaConsumer<String, String> consumer;
+private ExecutorService executors;
+...
+ 
+ 
+private int workerNum = ...;
+executors = new ThreadPoolExecutor(
+	workerNum, workerNum, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
+	new ArrayBlockingQueue<>(1000), 
+	new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
+ 
+ 
+...
+while (true)  {
+	ConsumerRecords<String, String> records = 
+		consumer.poll(Duration.ofSeconds(1));
+	for (final ConsumerRecord record : records) {
+        // 最重要的部分
+		executors.submit(new Worker(record));
+	}
+}
+..
+```
+- 当 Consumer 的 poll 方法返回消息后，由专门的线程池来负责处理具体的消息。调用 poll 方法的主线程不负责消息处理逻辑，这样就实现了方案 2 的多线程架构。
 
+- 补充
+  - Kafka重启时间比较长，每次重启一台差不多四五十分钟，日志保存12个小时，每台数据量差不多几个T，想请教一下老师有什么可以优化的参数吗？
+    - 有可能是要加载的日志段数据太多导致的，可以增加num.recovery.threads.per.data.dir的值
+  - 方案2的代码consumer实例也是单线程的？
+    - 嗯，如果唯一用来拉取消息不执行小处理逻辑，那么单线程已然很高效了。
 
 
-
+### 2.13 Java 消费者是如何管理TCP连接的?
-## 3. Producer生产者
-
-
 ## 4. Consumer