Kafka 实战(7)

10、Kafka 实战 - Kafka生产者事务和幂等性

主要讲述 Kafka 事务性的实现，这部分的实现要比幂等性的实现复杂一些，幂等性实现是事务性实现的基础，幂等性提供了单会话单 Partition Exactly-Once 语义的实现，正是因为 Idempotent Producer 不提供跨多个 Partition 和跨会话场景下的保证，因此，我们是需要一种更强的事务保证，能够原子处理多个 Partition 的写入操作，数据要么全部写入成功，要么全部失败，不期望出现中间状态。这就是 Kafka Transactions 希望解决的问题，简单来说就是能够实现 atomic writes across partitions，本文以 Apache Kafka 2.0.0 代码实现为例，深入分析一下 Kafka 是如何实现这一机制的。

Apache Kafka 在 Exactly-Once Semantics（EOS）上三种粒度的保证如下（来自 Exactly-once Semantics in Apache Kafka）：

1、 IdempotentProducer：Exactly-once，in-order，deliveryperpartition；
2、 Transactions：Atomicwritesacrosspartitions；
3、 Exactly-Oncestreamprocessingacrossread-process-writetasks；

第二种情况就是本文讲述的主要内容，在讲述整个事务处理流程时，也顺便分析第三种情况。

Kafka事务 Transactions

Kafka 事务性最开始的出发点是为了在 Kafka Streams 中实现 Exactly-Once 语义的数据处理，这个问题提出之后，在真正的方案讨论阶段，社区又挖掘了更多的应用场景，也为了尽可能覆盖更多的应用场景，在真正的实现中，在很多地方做了相应的 tradeoffs，后面会写篇文章对比一下 RocketMQ 事务性的实现，就能明白 Kafka 事务性实现及应用场景的复杂性了。

Kafka 的事务处理，主要是允许应用可以把消费和生产的 batch 处理（涉及多个 Partition）在一个原子单元内完成，操作要么全部完成、要么全部失败。为了实现这种机制，我们需要应用能提供一个唯一 id，即使故障恢复后也不会改变，这个 id 就是 TransactionnalId（也叫 txn.id，后面会详细讲述），txn.id 可以跟内部的 PID 1:1 分配，它们不同的是 txn.id 是用户提供的，而 PID 是 Producer 内部自动生成的（并且故障恢复后这个 PID 会变化），有了 txn.id 这个机制，就可以实现多 partition、跨会话的 EOS 语义。

当用户使用 Kafka 的事务性时，Kafka 可以做到的保证：

1、跨会话的幂等性写入：即使中间故障，恢复后依然可以保持幂等性；
2、跨会话的事务恢复：如果一个应用实例挂了，启动的下一个实例依然可以保证上一个事务完成（commit或者abort）；
3、跨多个Topic-Partition的幂等性写入，Kafka可以保证跨多个Topic-Partition的数据要么全部写入成功，要么全部失败，不会出现中间状态；

上面是从 Producer 的角度来看，那么如果从 Consumer 角度呢？Consumer 端很难保证一个已经 commit 的事务的所有 msg 都会被消费，有以下几个原因：

1、对于compactedtopic，在一个事务中写入的数据可能会被新的值覆盖；
2、一个事务内的数据，可能会跨多个logsegment，如果旧的segmeng数据由于过期而被清除，那么这个事务的一部分数据就无法被消费到了；
3、 Consumer在消费时可以通过seek机制，随机从一个位置开始消费，这也会导致一个事务内的部分数据无法消费；
4、 Consumer可能没有订阅这个事务涉及的全部Partition；

简单总结一下，关于 Kafka 事务性语义提供的保证主要以下三个：

1、 Atomicwritesacrossmultiplepartitions.；
2、 Allmessagesinatransactionaremadevisibletogether,ornoneare.；
3、 Consumersmustbeconfiguredtoskipuncommittedmessages.；

事务性示例

Kafka 事务性的使用方法也非常简单，用户只需要在 Producer 的配置中配置 transactional.id，通过 initTransactions() 初始化事务状态信息，再通过 beginTransaction() 标识一个事务的开始，然后通过 commitTransaction() 或 abortTransaction() 对事务进行 commit 或 abort，示例如下所示：

Properties props = new Properties();
props.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
props.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
props.put("client.id", "ProducerTranscationnalExample");
props.put("bootstrap.servers", "localhost:9092");
props.put("transactional.id", "test-transactional");
props.put("acks", "all");
KafkaProducer producer = new KafkaProducer(props);
producer.initTransactions();

try {
    String msg = "matt test";
    producer.beginTransaction();
    producer.send(new ProducerRecord(topic, "0", msg.toString()));
    producer.send(new ProducerRecord(topic, "1", msg.toString()));
    producer.send(new ProducerRecord(topic, "2", msg.toString()));
    producer.commitTransaction();
} catch (ProducerFencedException e1) {
    e1.printStackTrace();
    producer.close();
} catch (KafkaException e2) {
    e2.printStackTrace();
    producer.abortTransaction();
}
producer.close();

事务性的 API 也同样保持了 Kafka 一直以来的简洁性，使用起来是非常方便的。

事务性实现的关键

对于Kafka 的事务性实现，最关键的就是其事务操作原子性的实现。对于一个事务操作而言，其会涉及到多个 Topic-Partition 数据的写入，如果是一个 long transaction 操作，可能会涉及到非常多的数据，如何才能保证这个事务操作的原子性（要么全部完成，要么全部失败）呢？

1、关于这点，最容易想到的应该是引用2PC协议（它主要是解决分布式系统数据一致性的问题）中协调者的角色，它的作用是统计所有参与者的投票结果，如果大家一致认为可以commit，那么就执行commit，否则执行abort：；

我们来想一下，Kafka 是不是也可以引入一个类似的角色来管理事务的状态，只有当 Producer 真正 commit 时，事务才会提交，否则事务会还在进行中（实际的实现中还需要考虑 timeout 的情况），不会处于完成状态；
Producer 在开始一个事务时，告诉【协调者】事务开始，然后开始向多个 Topic-Partition 写数据，只有这批数据全部写完（中间没有出现异常），Producer 会调用 commit 接口进行 commit，然后事务真正提交，否则如果中间出现异常，那么事务将会被 abort（Producer 通过 abort 接口告诉【协调者】执行 abort 操作）；
这里的协调者与 2PC 中的协调者略有不同，主要为了管理事务相关的状态信息，这就是 Kafka Server 端的 TransactionCoordinator 角色；

2、有了上面的机制，是不是就可以了？很容易想到的问题就是TransactionCoordinator挂的话怎么办？TransactionCoordinator如何实现高可用？；

TransactionCoordinator 需要管理事务的状态信息，如果一个事务的 TransactionCoordinator 挂的话，需要转移到其他的机器上，这里关键是在 事务状态信息如何恢复？ 也就是事务的状态信息需要很强的容错性、一致性；
关于数据的强容错性、一致性，存储的容错性方案基本就是多副本机制，而对于一致性，就有很多的机制实现，其实这个在 Kafka 内部已经实现（不考虑数据重复问题），那就是 min.isr + ack 机制；
分析到这里，对于 Kafka 熟悉的同学应该就知道，这个是不是跟 __consumer_offset 这个内部的 topic 很像，TransactionCoordinator 也跟 GroupCoordinator 类似，而对应事务数据（transaction log）就是 __transaction_state 这个内部 topic，所有事务状态信息都会持久化到这个 topic，TransactionCoordinator 在做故障恢复也是从这个 topic 中恢复数据；

3、有了上面的机制，就够了么？我们再来考虑一种情况，我们期望一个Producer在Fail恢复后能主动abort上次未完成的事务（接上之前未完成的事务），然后重新开始一个事务，这种情况应该怎么办？之前幂等性引入的PID是无法解决这个问题的，因为每次Producer在重启时，PID都会更新为一个新值：；

Kafka 在 Producer 端引入了一个 TransactionalId 来解决这个问题，这个 txn.id 是由应用来配置的；
TransactionalId 的引入还有一个好处，就是跟 consumer group 类似，它可以用来标识一个事务操作，便于这个事务的所有操作都能在一个地方（同一个 TransactionCoordinator）进行处理；

4、再来考虑一个问题，在具体的实现时，我们应该如何标识一个事务操作的开始、进行、完成的状态？正常来说，一个事务操作是由很多操作组成的一个操作单元，对于TransactionCoordinator而言，是需要准确知道当前的事务操作处于哪个阶段，这样在容错恢复时，新选举的TransactionCoordinator才能恢复之前的状态：；

这个就是事务状态转移，一个事务从开始，都会有一个相应的状态标识，直到事务完成，有了事务的状态转移关系之后，TransactionCoordinator 对于事务的管理就会简单很多，TransactionCoordinator 会将当前事务的状态信息都会缓存起来，每当事务需要进行转移，就更新缓存中事务的状态（前提是这个状态转移是有效的）。

如果多个 Producer 共用一个 txn.id，那么最后启动的 Producer 会成功运行，会它之前启动的 Producer 都 Fencing 掉（至于为什么会 Fencing 下一小节会做分析）。

Consumer 消费数据时，其顺序如何保证

有了前面的分析，这个问题就很好回答了，顺序性还是严格按照 offset 的，只不过遇到 abort trsansaction 的数据时就丢弃掉，其他的与普通 Consumer 并没有区别。

如果 txn.id 长期不使用，server 端怎么处理？

Producer 在开始一个事务操作时，可以设置其事务超时时间（参数是 transaction.timeout.ms，默认60s），而且 Server 端还有一个最大可允许的事务操作超时时间（参数是 transaction.timeout.ms，默认是15min），Producer 设置超时时间不能超过 Server，否则的话会抛出异常。

上面是关于事务操作的超时设置，而对于 txn.id，我们知道 TransactionCoordinator 会缓存 txn.id 的相关信息，如果没有超时机制，这个 meta 大小是无法预估的，Server 端提供了一个 transaction.id.expiration.ms 参数来配置这个超时时间（默认是7天），如果超过这个时间没有任何事务相关的请求发送过来，那么 TransactionCoordinator 将会使这个 txn.id 过期。

PID Snapshot 是做什么的？用来解决什么问题？

对于每个 Topic-Partition，Broker 都会在内存中维护其 PID 与 sequence number（最后成功写入的 msg 的 sequence number）的对应关系（这个在上面幂等性文章应讲述过，主要是为了不丢补充的实现）。

Broker 重启时，如果想恢复上面的状态信息，那么它读取所有的 log 文件。相比于之下，定期对这个 state 信息做 checkpoint（Snapshot），明显收益是非常大的，此时如果 Broker 重启，只需要读取最近一个 Snapshot 文件，之后的数据再从 log 文件中恢复即可。

中间流程故障如何恢复

对于上面所讲述的一个事务操作流程，实际生产环境中，任何一个地方都有可能出现的失败：

1、 Producer在发送beginTransaction()时，如果出现timeout或者错误：Producer只需要重试即可；
2、 Producer在发送数据时出现错误：Producer应该abort这个事务，如果Produce没有abort（比如设置了重试无限次，并且batch超时设置得非常大），TransactionCoordinator将会在这个事务超时之后abort这个事务操作；
3、 Producer发送commitTransaction()时出现timeout或者错误：Producer应该重试这个请求；
4、 CoordinatorFailure：如果TransactionCoordinator发生切换（事务topicleader切换），Coordinator可以从日志中恢复如果发送事务有处于PREPARE_COMMIT或PREPARE_ABORT状态，那么直接执行commit或者abort操作，如果是一个正在进行的事务，Coordinator的失败并不需要abort事务，producer只需要向新的Coordinator发送请求即可；

1 生产者幂等性

1.1 引入

幂等性引入目的：

生产者重复生产消息。生产者进行retry会产生重试时，会重复产生消息。有了幂等性之后，在进行retry重试时，只会生成一个消息。

1.2 幂等性实现

1.2.1 PID 和 Sequence Number

为了实现Producer的幂等性，Kafka引入了Producer ID（即PID）和Sequence Number。

PID。每个新的Producer在初始化的时候会被分配一个唯一的PID，这个PID对用户是不可见的。
Sequence Numbler。（对于每个PID，该Producer发送数据的每个<Topic, Partition>都对应一个从0开始单调递增的Sequence Number。

Broker端在缓存中保存了这seq number，对于接收的每条消息，如果其序号比Broker缓存中序号大于1则接受它，否则将其丢弃。这样就可以实现了消息重复提交了。但是，只能保证单个Producer对于同一个<Topic, Partition>的Exactly Once语义。不能保证同一个Producer一个topic不同的partion幂等。

1.3 幂等性的应用实例

1、配置属性；

需要设置：

enable.idempotence，需要设置为ture,此时就会默认把acks设置为all，所以不需要再设置acks属性了。