2020-04-21 09:47 已编辑上海海事大学 Java

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java学习（七）

1、什么是CAP理论？

CAP理论是指 当网络分区发生时，一致性和可用性不可能同时保证。

C：Consistent 一致性
A：Availability 可用性
P：Partition tolerance 分区容忍度
网络分区：分布式系统的节点往往都是分布在不同的机器上进行网络隔离开的，这意味着必然会有网络断开的风险，网络断开也就意味着发生了网络分区。
最终一致性：Redis可以保证最终一致性，从节点会努力追赶主节点，最终从节点的状态会和主节点的状态将保持一致。

2、redis对事务支持

redis对事务的支持主要可以概括如下：

隔离性：redis 是单进程的程序，保证在执行事务时，不会对事务进行中断，事务可以运行直到执行完所有事务队列中的命令为止。所以redis的事务支持隔离性。
redis会将一个事务中的所有命令序列化，然后按顺序执行。redis不可能在一个事务的执行过程中插入执行另一个客户端发出的请求。可以保证Redis将这些命令作为一个单独的隔离操作执行。

redis操作事务的相关命令如下所示：

MULTI：标记一个事务块的开始。
EXEC：执行所有事务块内的命令。
DISCARD：取消事务，放弃执行事务块内的所有命令。
UNWATCH：取消 WATCH 命令对所有 key 的监视。
WATCH key [key ...]：监视一个(或多个) key ，如果在事务执行之前这个(或这些) key 被其他命令所改动，那么事务将被打断。

需要注意的是redis的事务不支持回滚操作，redis以 MULTI 开始一个事务，然后将多个命令入队到事务中，最后由 EXEC 命令触发事务，一并执行事务中的所有命令。只有当被调用的redis命令有语法错误时，这条命令才会执行失败，或者对某个键执行不符合其数据类型的操作，但是应该在将命令入队列的时候就应该并且能够发现这些问题，所以redis的事务不支持进行回滚操作。

3、消息队列Kafka有了解吗？

Kafka是一个消息队列，可以实现发布订阅模式，在异步通信或者生产者和消费者需要解耦合的场景中经常使用，可以对数据流进行处理等。

Kafka的特性如下所示：

Kafka支持消息的快速持久化
支持批量读写消息
支持消息分区，并且支持在线增加分区，提高了并发能力
支持为每个分区创建多个副本

Kafka可以实现消息的快速持久化的原因：

KafKa将消息保存在磁盘中，并且读写磁盘的方式是顺序读写，避免了随机读写磁盘（寻道时间过长）导致的性能瓶颈。
磁盘的顺序读写速度超过内存随机读写。

4、Kafka使用磁盘存储，为什么会具有高性能的特点？

顺序读写磁盘：

消息在磁盘中的方式是顺序读写的，磁盘的顺序读写速度超过内存随机读写。

页缓存：

页缓存是操作系统实现的一种主要的磁盘缓存，以此用来减少对磁盘I/O 的操作。具体就是把磁盘中的数据缓存到内存中，把对磁盘的访问变为对内存的访问。当然，也会存在磁盘脏页，以及合适时机会进行刷盘操作。

零拷贝：

使用零拷贝（ Zero-Copy ）技术来进一步提升Kafka性能。零拷贝是指将数据直接从磁盘文件复制到网卡设备中，而不需要经由应用程序之手。零拷贝大大提高了应用程序的性能，减少了内核和用户模式之间的上下文切换。

5、Kafka中的核心概念

核心概念如下所示：

生产者（Producer）：

生产消息，并且按照一定的规则（分区分配规则）推送到Topic的分区中。

消费者（Consumer）：

从Topic中拉取消息并且进行消费，消费者自行维护消费消息的位置（offset）。

主题（Topic）：

存储消息的逻辑概念，是一个消息集合，Kafka根据topic对消息进行归类，发布到Kafka集群的每条消息都需要指定一个topic。

分区（partition）：

每个Topic可以划分为多个分区，每个消息在分区中都会有一个唯一编号offset，kafka通过offset保证消息在分区中的顺序，同一Topic的不同分区可以分配在不同的Broker上，partition以文件的形式存储在文件系统中。

副本（replica）：

KafKa对消息进行了冗余备份，每个分区有多个副本，每个副本中包含的消息是“一样”的。每个副本中都会选举出一个Leader副本，其余为Follower副本，Follower副本仅仅是将数据从Leader副本拉到本地，然后同步到自己的Log中。

消费者组（Consumer Group）：

每个consumer都属于一个consumer group，每条消息只能被consumer group中的一个Consumer消费，但可以被多个consumer group消费。

Broker：

一个单独的server就是一个Broker，主要用来接收生产者发过来的消息，分配offset，并且保存到磁盘中。

Cluster & Controller：

多个Broker可以组成一个Cluster集群，每个集群选举一个Broker来作为Controller，充当指挥中心。Controller负责管理分区的状态，管理每个分区的副本状态，监听ZooKeeper中数据的变化等工作。

日志压缩与保留策略：

不管消费者是否已经消费了消息，Kafka都会保存这些消息（持久化到磁盘）,通过配置相应的保留策略，定时删除陈旧的消息。所谓日志压缩，就是定时进行相同key值得合并，只保留最新的Key-Value值。

6、简单介绍下Kafka中的副本机制吧

在分布式的存储中，进行冗余备份是一种常见的设计，主要的设计方案有同步复制和异步复制。

同步复制：

当所有的Follower副本都将消息复制完成，这条消息才会被认为是提交完成，一旦有一个Follower副本出现故障，就会导致消息无法提交，极大的影响到了系统的性能。

异步复制：

当Leader副本接收到生产者发送的消息后就认为当前消息提交成功。Follower副本异步的从Leader副本同步消息，但是不可以保证同步速度，当Leader副本突然宕机的时候，可能Follower副本中的消息落后太多，导致消息的丢失。

考虑到同步复制和异步复制的优缺点，Kafka引入了ISR集合。

ISR（In-Sync-Replica）集合：

可用副本集合，ISR集合表示当前“可用”且消息量与Leader相差不多的副本集合，需要满足如下条件：

副本所在节点必须维持着与ZooKeeper的连接。
副本最后一条信息的offset与Leader副本的最后一条消息的offset之间的差值不能超过指定的阈值。

HW和LEO标志：

HW（HighWatermark）表示高水位，标记了一个特殊的offset，当消费者处理消息的时候，只能拉取到HW之前的消息。HW也是由Leader副本管理的。
LEO（Log End Offset）是所有副本都会有的一个offset标记。

ISR、HW和LEO的工作配合机制：

producer向此分区中推送消息
Leader副本将消息追加到Log中，并且递增其LEO
Follower副本从Leader副本中拉取消息进行同步
Follower副本将消息更新到本地Log中，并且递增其LEO
当ISR集合中的所有副本都完成了对offset的消息同步，Leader副本会递增其HW

优势：

同步复制会导致高延迟，异步复制可能会造成消息的丢失。
KafKa引入的ISR集合解决了同步复制和异步复制的缺点。
当Follower副本延迟过高时，将会被踢出ISR集合，避免了高延迟的Follower副本影响整个KafKa集群性能。
当Leader副本所在的Broker宕机，会优先将ISR集合中的Follower副本选举为Leader。

7、Kafka的文件存储机制

Kafka中消息是以topic进行分类的，生产者通过topic向Kafka broker发送消息，消费者通过topic读取数据。

然而topic在物理层面又能以partition为分组，一个topic可以分成若干个partition，partition还可以细分为segment，一个partition物理上由多个segment组成。

在server.properties中可以设置文件的存储位置，默认为log.dirs=/tmp/kafka-logs。当我们创建一个topic的时候，可以在/tmp/kafka-logs目录中看到对应分区个数的目录数。在Kafka文件存储中，同一个topic下有多个不同的partition，每个partiton为一个目录，partition的名称规则为：topic名称+有序序号，第一个序号从0开始计，最大的序号为partition数量减1

8、为什么Kafka中的分区只支持增长，不支持减小分区个数的操作？

删除掉的分区的消息不好处理，若丢弃则可靠性得不到保证
如果插入现有分区的尾部，则一些带时间戳的消息会对消费者有影响
如果消息量大的话，复制到其它分区也会很耗费资源；

如果你非要减小分区个数，那么可以新创建一个分区数比较小的topic，将现有topic中的消息按照一定的逻辑复制过去。

9、Kafka消息传输的三大语义

afka有以下三种可能的传输保障（delivery guarantee）:

At most once: 最多一次，消息可能会丢，但绝不会重复传输
At least once：最少一次，消息绝不会丢，但可能会重复传输
Exactly once：恰好一次，每条消息肯定会被传输一次且仅传输一次

At most once：最多消费一次，绝对不会重复消费。那么Kafka如何保证At most once语义呢？

生产者Producer来生产消息的时候，当写数据失败的时候，broker直接跳过该消息，导致消息丢失，消费者无法消费该消息。
消费者在拉取消息之后，直接提交消息位移offset，但是没有完全消费完拉取消息即发生故障，下次会直接从刚刚offset的位置进行消费，刚刚故障时刻-offset之间的消息丢失。

At least once：最少一次，消息绝不会丢。那么Kafka如何保证最少消费一次呢？

生产者在生产数据的时候，以及写入了broker中，但是由于broker上的异常，导致生产者并没有成功的收到ACK，之后会进行重试操作，导致消息被写入了多次。

Exactly once：恰好消费一次，那么Kafka如何保证恰好一次的语义呢？