美团面试官让我聊聊kafka的副本同步机制，我忍不住哭了

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一、引言

你可能听说过高水位（High Watermark），但不一定耳闻过 Leader Epoch。

前者是 Kafka 中非常重要的概念，而后者是社区在 0.11 版本中新推出的，主要是为了弥补高水位机制的一些缺陷。

鉴于高水位机制在 Kafka 中举足轻重，而且深受各路面试官的喜爱，今天我们就来重点说说高水位。当然，我们也会花一部分时间来讨论 Leader Epoch 以及它的角色定位。

本文的篇幅比较长，副本之间的同步比较细节，建议留一定的时间用来阅读

二、何为高水位

日常生活中，我们一般把什么叫做水位呢？

1. 经典教科书
   • 在时刻 T，任意创建时间（Event Time）为 T'，且 T'<=T 的所有事件都已经到达，那么 T 就被定义为水位
2. 《Streaming System》
   • 水位是一个单调增加且表征最早未完成工作的时间戳
3. 如上图所示，标注为 Completed 的蓝***域代表已经完成的工作，而标注为 In-Flight 的红***域代表未完成（正在进行）的工作，两边的交界线就是水位线。
4. 在 kafka 中，水位不是时间戳，而是与位置信息绑定的，即用 消息位移（offset）来表征水位
   • 当然，kafka 中也有低水位（Low Watermark），与 kafka的删除消息有关，不在我们本篇文章的讨论范围之内

三、高水位的作用

在 kafka 中，高水位的作用主要是 2 个

• 定义消息可见性，既用来告诉我们的消费者哪些消息是可以进行消费的
• 帮助 kafka 完成副本机制的同步

Kafka 分区下有可能有很多个副本用于实现冗余，从而进一步实现高可用。副本根据角色的不同可分为3种

• leader 副本：相应 clients 端读写请求的副本
• Follower 副本：被动的备注 leader 副本的内容，不能相应 clients 端读写请求
• ISR 副本： 包含了 leader 副本和所有与 leader 副本保持同步的 Followerer 副本

每个 kafka 副本对象都有两个重要的属性：LEO 和 HW。注意是所有的副本（leader + Follower）

• LEO：当前日志末端的位移（log end offset），记录了该副本底层日志（log）中下一条消息的位移值。
• HW：高水位值（High Watermark），对于同一个副本对象，其 HW 的值不会超越 LEO。

我们假设下图是某个分区 leader 副本的高水位图：

在高水位线之下的为 已提交消息，在水位线之上的为 未提交消息，对于 已提交消息，我们的消费者可以进行消费，也就是图中 0-7 下标的消息。需要关注的是，位移值等于高水位的消息也属于未提交消息。也就是说，高水位上的消息是不能被消费者消费的。

图中的日志末端位置，既我们所说的 LEO，他表示副本写入下一条消息的位移值。我们可以发现，位移值 15 的地方为虚框，这表示我们当前副本只有15条消息，位移值是从 0 到 14，下一条新消息的位移是 15。

观察得知，对于同一个副本，我们的高水位值不会超越其 LEO 值。

四、高水位更新机制

通过上面的讲述，我们知道每个副本对象都保存了一组 HW 和 LEO。

但实际上，在 leader 副本所在的 Broker0 上，还保存了其他 Follower 副本的 LEO 值，这些 Follower 副本又被称为远程副本（Remote Replica）

kafka 副本机制在运行过程中：

• 更新

  • Broker1 上 Follower 副本的高水位和 LEO 值，

  • Broker0 上 leader 副本的高水位和 LEO 以及所有 Follower 副本的 LEO

• 不会更新

  • 所有 Follower 副本的 HW，既图中标记为灰色的部分。

这里可能你会有疑问了，为什么我们要在 Broker0 上保存这些 Follower 副本呢？

• 帮助 leader 副本确定其高水位，也就是分区高水位

1、更新时机

• Follower 副本与 Leader 副本保持同步，需要满足两个条件
  • Follower 副本在 ISR 中
  • Follower 副本 LEO 值落后 Leader 副本 LEO 值的时间不超过参数 replica.lag.time.max.ms，默认是 10 秒

这两个条件好像是一回事，因为某个副本能否进入 ISR 就是靠第 2 个条件判断的。

但有些时候，会发生这样的情况：即 Follower 副本已经“追上”了 Leader 的进度，却不在 ISR 中，比如某个刚刚重启回来的副本。如果 Kafka 只判断第 1 个条件的话，就可能出现某些副本具备了“进入 ISR”的资格，但却尚未进入到 ISR 中的情况。此时，分区高水位值就可能超过 ISR 中副本 LEO，而高水位 > LEO 的情形是不被允许的。

2、leader 副本和 Follower 副本

Leader 副本

• 处理生产者的逻辑如下：
  • 写入消息到磁盘
  • 更新 LEO 值
  • 更新分区高水位值
    • 获取 leader 副本所在 Broker 保存的所有远程副本 LEO 值，如：LEO-1、LEO-2、LEO-3.......
    • 获取 Leader 副本的高水位值：currentHW
    • 更新高水位为：HW = Math.max(currentHW,Math.min(LEO-1,LEO-2,LEO-3....));
• 处理 Follower 副本拉取消息的逻辑如下：
  • 读取磁盘（页缓存）中的消息数据
  • 使用 Follower 副本发送消息请求中的位移值更新远程副本 LEO 值
  • 更新分区高水位值（同上）

Follower 副本

• 从 Leader 拉取消息的处理逻辑如下：
  • 写入消息到本地磁盘，更新 LEO 值
  • 更新高水位
    • 获取 Leader 发送的高水位值：currentHW
    • 获取步骤 2 中更新的 LEO 值：currentLEO
    • 更新高水位为：HW = Math.min(currentHW, currentLEO);

3、副本同步机制

我来举一个实际的例子，说明一下 Kafka 副本同步的全流程。该例子使用一个单分区且有两个副本的主题。

当生产者发送一条消息时，Leader 和 Follower 副本的高水位是怎么被更新的

首先是初始状态，这里的 Remote LEO 代表之前我们 Broker0 中的远程副本的 LEO，我们的 Follower 副本通过 FETCH 请求不断与 Leader 副本进行数据同步

3.1 第一次同步

当生产者给我们的主题分区发送一条消息后，状态变更为：

我们上面讲过，关于 Leader 副本处理生产者的逻辑

• 写入磁盘，更新 LEO = 1
• 更新高水位
  • 当前的高水位为：0
  • 当前远程副本的LEO为：0
  • 所以：HW = Math.max(0,0) = 0

Follow 副本尝试从 Leader 拉取消息，和之前不同的是，这次有消息可以拉取了，因此状态进一步变更为：

我们上面讲过，Leader 副本处理 Follower 副本拉取消息的逻辑

• 读取磁盘（页缓存）中的消息数据
• 使用 Follower 副本发送消息请求中的位移值更新远程副本 LEO 值（Remote LEO）
  • Remote LEO = fetchOffset = 0
• 更新分区高水位值（无变化、省略）

我们上面讲到，Follower 副本从 Leader 拉取消息的处理逻辑

• 写入消息到本地磁盘，更新 LEO 值为 1
• 更新高水位
  • 获取 Leader 发送的高水位值：currentHW = 0
  • 获取步骤 2 中更新的 LEO 值：currentLEO = 1
  • 更新高水位为：HW = 0

经过这一次拉取，我们的 Leader 和 Follower 副本的 LEO 都是 1，各自的高水位依然是0，没有被更新。

3.2 第二次同步

它们需要在下一轮的拉取中被更新，如下图所示：

Leader 副本处理 Follower 副本拉取消息的逻辑

• 读取磁盘（页缓存）中的消息数据
• 使用 Follower 副本发送消息请求中的位移值更新远程副本 LEO 值（Remote LEO）
  • Remote LEO = fetchOffset = 1
• 更新分区高水位值
  • LEO 值：Remote LEO = 1
  • Leader 高水位值：currentHW = 0
  • 高水位值：HW = Math.max(0,1) = 1

Follower 副本从 Leader 拉取消息的处理逻辑

• 写入消息到本地磁盘，更新 LEO 值（无变化）
• 更新高水位
  • 获取 Leader 发送的高水位值：currentHW = 1
  • 获取步骤 2 中更新的 LEO 值：currentLEO = 1
  • 更新高水位为：HW = Math.min(1,1) = 1

至此，一次完整的消息同步周期就结束了。事实上，Kafka 就是利用这样的机制，实现了 Leader 和 Follower 副本之间的同步。

五、Leader Epoch 闪耀登场

依托于高水位，我们不仅向外界定义了消息的可见性，又实现了副本的同步机制。

俗话说的好：人无完人，物无完物

我们需要思考思考，这种副本同步机制会有什么危害呢？

1、数据丢失

• 蓝色：已落磁盘的数据
• 黄色：无任何数据

当我们的副本进行第二次同步时，假如在 Follower 副本从 Leader 拉取消息的处理逻辑 这里，我们的副本B重启了机器。

等到 副本B 重启成功后，副本B 会执行日志截断操作（根据高水位的数值进行截断），将 LEO 值调整为之前的高水位值，也就是 1。位移值为 1 的那条消息被副本 B 从磁盘中删除，此时副本 B 的底层磁盘文件中只保存有 1 条消息，即位移值为 0 的那条消息。

当执行完截断日志的操作后，副本B开始从副本A拉取消息，进行正常的消息同步。这时候副本A重启了，我们会让我们的副本B成为 Leader。

当副本A重启成功时，会自动向 Leader 看齐，此时，当 A 回来后，需要执行相同的日志截断操作，即将高水位调整为与 B 相同的值，也就是 1。

这样操作之后，位移值为 1 的那条消息就从这两个副本中被永远地抹掉了，这就是这张图要展示的数据丢失场景。

2、数据不一致

当我们的副本B想要同步副本A的消息时，这个时候，副本A和副本B都发生了重启的操作

我们的副本B先启动成功，成功当选 Leader，这个时候我们的生产者会将数据发送到副本B中，也就是图中的 1

等到副本A启动成功时，会与 Leader 副本进行同步，发现 Leader副本的 LEO 和 HW 都为1，这个时候，副本A不需要进行任何操作

我们观察结果，可以看到，我们副本A的数据和副本2的数据发生了不一致的现象

3、Leader Epoch

简单来说，Leader Epoch是一对值：（epoch,offset）

• epoch：代表当前 leader 的版本号，从0开始，当 Leader 变更过一次时，我们的 epoch 就会 +1
• offset：该 epoch 版本的 Leader 写入第一条消息的位移

我们以下面的例子解释一下：（0,0）（1,120）

第一个 Leader 版本号为0，从位移 0 开始写入消息，一共写了120条，也就是 [0,119]

第二个 Leader 版本号为1，从位移 120 开始写入消息

leader broker 中会保存这样的一个缓存，会定期的写入到一个 checkpoint 中

当 Leader 写底层 log 时，他会尝试更新整个缓存。如果这个 Leader 是第一次写消息，则会在缓存中增添一个条目，否则就不做更新

每次副本重新成为 Leader 时，会查询这部分缓存，获取出对应 Leader 版本的位移，避免了数据丢失和不一致的情况

3.1 如何规避数据丢失

当我们的 副本A 重启完毕时，它会向 leader副本B 发送一个 LeaderEpochRequest 请求，来获取自身所处的 leader epoch 最新的偏移量是多少。

因为 followerA 和 Leader副本B 所处的时代相同（leader epoch编码都是0），Leader副本B 会返回自己的 LEO，也就是 2 给 Follower副本A

当我们的副本A收到 LEO = 2，自己的位移量都小于 2，不需要做任何的操作

这是对高水位机制的一个明显改进，即副本是否执行日志截断不再依赖于高水位进行判断。

3.2 如何规避数据不一致

开始的时候 副本A 是 leader副本，当两个 broker 在崩溃后重启后，brokerB 先成功重启，Follower副本B 成为 Leader副本

它会开启一个新的领导者纪元 Leader1，开始接受消息 m3

然后 brokerA 又成功重启，此时 副本A 很自然成为 Follower副本A，接着它会向 Leader B 发送一个 LeaderEpoch request 请求，用来确定自己应该处于哪个领导者时代，Leader B 会返回 Leader1 时代的第一个位移，这里返回的值是1（也就是m3所在的位移）。follower B 收到这个响应以后会根据这个 位移1 来截断日志，它知道了应该遗弃掉m2，从位移1开始同步获取日志。

六、总结

通过 Leader Epoch 的机制，我们让我们副本的日志截断不单单依靠高水位的值

关键点快速总结：

• 高水位的2个主要作用

  • 定义消息可见性

  • 帮助Kafka完成副本同步

• 在分区高水位以下的消息被认为是已提交消息，反之就是未提交消息。消费者只能消费已提交消息。

• 日志末端位移(LEO) ：表示副本写入下一条消息的位移值。

• Leader Epoch：这是Leader版本。它由两部分数据组成（Epoch，offset）

  • Epoch（单调增加的版本号）：每当副本领导权发生变更时，都会增加该版本号。小版本号的Leader被认为是过期Leader。
  • offset（起始位移） ：Leader副本 *在该 *Epoch 值上写入的首条消息的位移。

在讲述 kafka 之前，博主一直不知道从哪里下手，从基础架构又过于保守，从源码又过于复杂，最终决定从副本机制的同步入手，毕竟面试的老选手了

今天的 kafka 的副本同步机制到这里就结束了，下一期将会讲述 kafka 的基本架构