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wzjs 2025/8/31 4:33:15

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1. 引言

Apache Kafka 是一个高性能、分布式的消息系统，其核心设计依赖于 Broker、分片（Partition） 和 副本（Replica） 的协同工作。Broker 作为 Kafka 集群的基本服务单元，负责管理分片和副本的存储、同步、故障恢复等关键任务。本文将深入探讨 Kafka Broker 如何管理分片和副本，以及其背后的机制。

2. Kafka Broker 的基本职责

Kafka Broker 是 Kafka 集群中的服务器节点，每个 Broker 负责：

存储分片数据（Partition）
处理生产者和消费者的读写请求
维护副本同步
参与 Leader 选举
监控集群状态

Broker 之间通过 ZooKeeper（旧版本）或 KRaft（新版本） 进行协调，确保数据一致性和高可用性。

3. 分片（Partition）与副本（Replica）

3.1 分片（Partition）

Kafka 的 Topic 被划分为多个 分片（Partition），每个分片是一个有序、不可变的消息队列。
分片允许 Kafka 水平扩展，提高并行处理能力。

3.2 副本（Replica）

每个分片可以有 多个副本（由 replication.factor 配置，通常为 3）。
副本分为：
- Leader 副本：处理所有读写请求。
- Follower 副本：从 Leader 异步拉取数据，保持同步。

副本分布在不同的 Broker 上，以提高容错能力。

4. Broker 如何管理分片和副本

4.1 副本分配策略

当创建一个 Topic 时，Kafka 会自动分配分片副本到不同的 Broker，遵循以下原则：

同一分片的副本不能放在同一个 Broker（避免单点故障）。
尽量均衡 Leader 副本分布（避免某些 Broker 负载过高）。
支持机架感知（Rack Awareness）（副本分布在不同的机架，提高容灾能力）。

4.2 Leader/Follower 机制

Leader 副本：
- 处理所有生产者和消费者的读写请求。
- 负责推进 高水位（High Watermark, HW），表示已提交（committed）的消息偏移量。
Follower 副本：
- 定期从 Leader 拉取数据（fetch 请求）。
- 如果 Follower 落后太多，会被移出 ISR（In-Sync Replicas） 列表。

4.3 ISR（In-Sync Replicas）

ISR 是当前与 Leader 保持同步的副本集合。
只有 ISR 中的副本才有资格被选为新的 Leader。
如果 Follower 长时间未同步（replica.lag.time.max.ms 超时），会被移出 ISR。

4.4 高水位（HW）与 LEO（Log End Offset）

LEO（Log End Offset）：表示副本最新写入的消息偏移量。
HW（High Watermark）：表示所有 ISR 副本都已确认的消息偏移量（消费者只能读到 HW 之前的消息）。

例如：
```
Leader LEO = 10
Follower1 LEO = 8
Follower2 LEO = 9
=> HW = 8（所有副本都确认到 8）
```

4.5 请求处理流程

生产者发送消息：
- 请求发送到 Leader 副本。
- Leader 写入本地日志，并等待 ISR 副本确认。
- 当所有 ISR 副本确认后，HW 推进，返回 ack 给生产者。
消费者读取消息：
- 消费者只能读取 HW 之前的消息（确保数据一致性）。
- 如果请求发送到 Follower，会被重定向到 Leader。

4.6 Leader 选举

当 Leader 副本宕机时，Controller Broker 会从 ISR 中选举新的 Leader。
如果没有可用的 ISR 副本，Kafka 可能会：
- 等待副本恢复（unclean.leader.election.enable=false，默认）。
- 选择非 ISR 副本（unclean.leader.election.enable=true，可能丢失数据）。

4.7 副本同步机制

Follower 副本通过 拉取（fetch） 请求从 Leader 同步数据：

周期性拉取（fetch.min.bytes 和 fetch.wait.max.ms 控制频率）。
HW 更新：只有当所有 ISR 副本都确认消息后，HW 才会推进。

4.8 故障恢复

Broker 宕机：
- Controller 检测到 Broker 下线，触发 Leader 重新选举。
- 恢复后，副本会从 Leader 重新同步缺失的数据。
副本滞后（Lagging Replica）：
- 如果 Follower 长时间未同步，会被移出 ISR。
- 恢复后，会从 Leader 重新同步数据（可能触发 Log Truncation，丢弃不一致的数据）。

5. 磁盘存储管理

Broker 对分片的存储采用 日志分段（Log Segments） 策略：

每个分片的数据被拆分为多个 segment 文件（默认 1GB）。
每个 segment 包含：
- .log 文件（存储消息）
- .index 文件（偏移量索引）
- .timeindex 文件（时间戳索引）
日志清理策略：
- delete（默认）：基于时间或大小删除旧数据。
- compact：仅保留每个 key 的最新值（适用于 KV 存储场景）。