Kafka 消息丢失与消费精确一次性

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作者：侠梦的开发笔记，来源：ImportNew

消息丢失的场景

如果Kafka Producer使用“发后即忘”的方式发送消息，即调用producer.send(msg)方法来发送消息，方法会立即返回，但此时并不能说明消息已经发送成功。消息发送方式详见初次邂逅Kafka生产者。

如果在消息过程中发生了网络抖动，那么消息就会丢失；或发送的消息本身不符合要求，如大小超过Broker端的承受能力等（消息太大的情况在生产中实际遇到过，最后通过在发送前将消息分包，再依次发送，解决了该问题）。

解决该问题的方法就是：Producer要使用带回调通知的方法发送消息，即producer.send(msg, callback)。回调方法callback可以告诉我们消息是否真的提交成功了，一旦出现消息发送失败的情况，可以使用代码进行容错及补救。

例如：网络抖动导致的消息丢失，可以使Producer重试；消息不合格，则将消息格式进行调整，再发送。Producer使用带回调的消息发送API，可以及时发现消息是否发送失败并作相应处理。

消费者丢失数据

Consumer端丢失数据主要体现在：拉取了消息，并提交了消费位移，但是在消息处理结束之前突然发生了宕机等故障。消费者重生后，会从之前已提交的位移的下一个位置重新开始消费，之前未处理完成的消息不会再次处理，即相当于消费者丢失了消息。

解决Consumer端丢失消息的方法也很简单：将位移提交的时机改为消息处理完成后，确认消费完成了一批消息再提交相应的位移。这样做，即使处理消息的过程中发生了异常，由于没有提交位移，下次消费时还会从上次的位移处重新拉取消息，不会发生消息丢失的情况。

具体的实现方法为，Consumer在消费消息时，关闭自动提交位移，由应用程序手动提交位移。

Broker端丢失数据

Broker端丢失数据主要有以下几种情况：

原来的Broker宕机了，却选举了一个落后Leader太多的Broker成为新的Leader，那么落后的这些消息就都丢失了，可以禁止这些“unclean”的Broker竞选成为Leader；

Kafka使用页缓存机制，将消息写入页缓存而非直接持久化至磁盘，将刷盘工作交由操作系统来调度，以此来保证高效率和高吞吐量。如果某一部分消息还在内存页中，未持久化至磁盘，此时Broker宕机，重启后则这部分消息丢失，使用多副本机制可以避免Broker端丢失消息；

避免消息丢失的最佳实践

不使用producer.send(msg)，而使用带回调的producer.send(msg, callback)方法；

设置acks = all。acks参数是Producer的一个参数，代表了对消息“已提交”的定义。如果设置成all，则表示所有的Broker副本都要接收到消息，才算消息“已提交”，是最高等级的“已提交”标准；

设置retries为一个较大的值，retries表示Producer发送消息失败后的重试次数，如果发生了网络抖动等瞬时故障，可以通过重试机制重新发送消息，避免消息丢失；

设置unclean.leader.election.enable = false。这是一个Broker端参数，表示哪些Broker有资格竞选为分区的Leader。如果一个落后Leader太多的Follower所在Broker成为了新的Leader，则必然会导致消息的丢失，故将该参数设置为false，即不允许这种情况的发生；

设置replication.factor >= 3。Broker端参数，表示每个分区的副本数大于等于3，使用冗余的机制来防止消息丢失；

设置min.insync.replicas > 1。Broker端参数，控制的是消息至少被写入多少个副本蔡栓是“已提交”，将该参数设置成大于1可以提升消息持久性；

确保replication.factor > min.insync.replicas。若两者相等，则如果有一个副本挂了，整个分区就无法正常工作了。推荐设置为：replication.factor = min.insync.replicas + 1；

确保消息消费完再提交位移，将Consumer端参数enable.auto.commit设置为fasle，关闭位移自动提交，使用手动提交位移的形式。

精确一次消费

目前Kafka默认提供的消息可靠机制是“至少一次”，即消息不会丢失。上一节中我们知道，Producer如果发送消息失败，则可以通过重试解决，若Broker端的应答未成功发送给Producer（如网络抖动），Producer此时也会进行重试，再次发送原来的消息。这就是Kafka默认提供消息至少一次性的原因，不过这可能会导致消息重复发送。

如果需要保证消息消费的“最多一次”，那么禁止Producer的重试即可。但是写入失败的消息如果不重试则会永远丢失。是否有其他方法来保证消息的发送既不丢失，也不重复消费？或者说即使Producer重复发送了某些消息，Broker端也能够自动去重。

Kafka实际上通过两种机制来确保消息消费的精确一次：

幂等性（Idempotence）

事务（Transaction）

幂等性

所谓的幂等，简单说就是对接口的多次调用所产生的结果和调用一次是一致的。在Kafka中，Producer默认不是幂等性的，Kafka于0.11.0.0版本引入该特性。设置参数enable.idempotence为true即可指定Producer的幂等性。开启幂等生产者后，Kafka会自动进行消息的去重发送。为了实现生产者的幂等性，Kafka引入了producer id（后简称PID）和序列号（sequence number）两个概念。

生产者实例在被创建的时候，会分配一个PID，这个PID对用户完全透明。对于每个PID，消息发送到的每一个分区都有对应的序列号，这些序列号从0开始单调递增。生产者每发送一条消息就会将**<PID, 分区>**对应的序列号值加1。

Broker端在内存中为每一对<PID, 分区>维护一个序列号SN_old。针对生产者发送来的每一条消息，对其序列号SN_new进行判断，并作相应处理。

只有SN_new比SN_old大1时，即SN_new = SN_old + 1时，broker才会接受这条消息；

SN_new < SN_old + 1，说明消息被重复写入，broker直接丢弃该条消息；

SN_new > SN_old + 1，说明中间有数据尚未写入，出现了消息乱序，可能存在消息丢失的现象，对应的生产者会抛出OutOfOrderSequenceException。

注意：序列号针对<PID, 分区>，这意味着幂等生产者只能保证单个主题的单一分区内消息不重复；其次，它只能实现单会话上的幂等性，不能实现跨会话的幂等性，这里的会话即可以理解为：Producer进程的一次运行。当重启了Producer进程之后，则幂等性保证就失效了。

事务

幂等性并不能跨多个分区运作，而Kafka事务则可以弥补这个缺陷。Kafka从0.11版本开始提供了对事务的支持，主要在read committed隔离级别。它能保证多条消息原子性地写入到目标分区，同时也能宝恒Consumer只能看到事务成功提交的消息。

Producer端配置

事务型Producer能保证消息原子性地写入多个分区。批量的消息要么全部写入成功，要么全部失败。并且，事务型Producer在重启后，Kafka依然保证它们发送消息的精确一次处理。开启事务型Producer的配置如下：

和幂等性Producer一样，开启enable.idempotence = true。

设置Producer端参数transcational.id。最好为其设置一个有意义的名字。

设置了事务型的Producer可以调用一些事务API，如下：initTransaction、beginTransaction、commitTransaction和abortTransaction，分别对应事务的初始化、事务开启、事务提交和事务终止。

producer.initTransactions();try { producer.beginTransaction();  producer.send(record1);  producer.send(record2);  producer.commitTransaction();  } catch (KafkaExecption e) { producer.abortTransaction(); }

上述代码中，事务型Producer可以保证record1和record2要么全部提交成功，要么全部写入失败。实际上，即使写入失败，Kafka也会将它们写入到底层的日志中，也就是说Consumer还是会看到这些消息，具体Consumer端读取事务型Producer发送的消息需要另行配置。

Consumer端配置

读取事务型Producer发送的消息时，Consumer端的isolation.level参数表征着事务的隔离级别，即决定了Consumer以怎样的级别去读取消息。该参数有以下两个取值：

read_uncommitted：默认值，表面Consumer能够读到Kafka写入的任何消息，不论事务型Producer是否正常提交了事务。显然，如果启用了事务型的Producer，则Consumer端参数就不要使用该值，否则事务是无效的。

read_committed：表面Consumer只会读取事务型Producer成功提交的事务中写入的消息，同时，非事务型Producer写入的所有消息对Consumer也是可见的。

总结

Kafka所提供的消息精确一次消费的手段有两个：幂等性Producer和事务型Producer。

幂等性Producer只能保证单会话、单分区上的消息幂等性；

事务型Producer可以保证跨分区、跨会话间的幂等性；

事务型Producer功能更为强大，但是同时，其效率也会比较低下。

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