Kafka控制器選舉流程剖析

1.概述

平時在使用Kafka的時候，可能關注的更多的是Kafka系統層面的。今天來給你們剖析一下Kafka的控制器，瞭解一下Kafka控制器的選舉流程。

2.內容

Kafka控制器，其實就是一個Kafka系統的Broker。它除了具備通常Broker的功能以外，還具備選舉主題分區Leader節點的功能。在啓動Kafka系統時，其中一個Broker會被選舉爲控制器，負責管理主題分區和副本狀態，還會執行分區從新分配的管理任務。

若是在Kafka系統運行過程當中，當前的控制器出現故障致使不可用，那麼Kafka系統會從其餘正常運行的Broker中從新選舉出新的控制器。

2.1 控制器啓動順序

在Kafka集羣中，每一個Broker在啓動時會實例化一個KafkaController類。該類會執行一系列業務邏輯，選舉出主題分區的Leader節點，步驟以下：

• 第一個啓動的代理節點，會在Zookeeper系統裏面建立一個臨時節點/controller，並寫入該節點的註冊信息，使該節點成爲控制器；
• 其餘的代理節點陸續啓動時，也會嘗試在Zookeeper系統中建立/controller節點，可是因爲/controller節點已經存在，因此會拋出「建立/controller節點失敗異常」的信息。建立失敗的代理節點會根據返回的結果，判斷出在Kafka集羣中已經有一個控制器被成功建立了，因此放棄建立/controller節點，這樣就確保了Kafka集羣控制器的惟一性；
• 其餘的代理節點，會在控制器上註冊相應的監聽器，各個監聽器負責監聽各自代理節點的狀態變化。當監聽到節點狀態發生變化時，會觸發相應的監聽函數進行處理。

2.2 如何查看控制器優先級 ?

控制器建立的優先級是按照Kafka系統代理節點成功啓動的順序來建立的。用戶能夠經過改變Kafka系統代理節點的啓動順序，來查看控制器的建立優先級。以後，能夠在Zookeeper系統中查看/controller臨時節點的內容，例如：

# 進入Zookeeper集羣
[hadoop@dn1 bin]$  zkCli.sh -server dn1:2181
# 執行查看命令
[zk: dn1:2181(CONNECTED) 1] get /controller

成功執行命令後，能夠看到代理節點0（即dn1節點）上成功建立了控制器，以下圖所示：

 

 

 

 

 

當前啓動順序爲：dn一、dn二、dn3，修改啓動順序爲：dn三、dn一、dn2。再次查看Zookeeper系統中執行「get /controller」命令，輸出結果以下圖所示：

 

 

 

 

 

2.3 切換控制器所屬的代理節點

當控制器被關閉或者與Zookeeper系統斷開鏈接時，Zookeeper系統上的臨時節點就會被清除。Kafka集羣中的監聽器會接收到變動通知，各個代理節點會嘗試到Zookeeper系統中建立一個控制器的臨時節點。第一個成功在Zookeeper系統中建立的代理節點，將會成爲新的控制器。每一個新選舉出來的控制器，會在Zookeeper系統中獲取一個遞增的controller_epoch值。

3.主題分區Leader節點的選舉過程

選舉控制器的核心思路是：各個代理節點公平競爭搶佔Zookeeper系統中建立/controller臨時節點，最早建立成功的代理節點會成爲控制器，並擁有選舉主題分區Leader節點的功能。選舉流程以下圖所示：

 

 

 

 

 

當Kafka系統實例化KafkaController類時，主題分區Leader節點的選舉流程便會開始。其中涉及的核心類包含KafkaController、ZookeeperLeaderElector、LeaderChangeListener、SessionExpirationListener。

• KafkaController：在實例化ZookeeperLeaderElector類時，分別設置了兩個關鍵的回調函數，即onControllerFailover和onControllerResignation；
• ZookeeperLeaderElector：實現主題分區的Leader節點選舉功能，可是它並不會處理「代理節點與Zookeeper系統之間出現的會話超時」這種狀況，它主要負責建立元數據存儲路徑、實例化變動監聽器等，並經過訂閱數據變動監聽器來實時監聽數據的變化，進而開始執行選舉Leader的邏輯；
• LeaderChangeListener：若是節點數據發送變化，則Kafka系統中的其餘代理節點可能已經成爲Leader，接着Kafka控制器會調用onResigningAsLeader函數。當Kafka代理節點宕機或者被人爲誤刪除時，則處於該節點上的Leader會被從新選舉，經過調用onResigningAsLeader函數從新選擇其餘正常運行的代理節點成爲新的Leader；
• SessionExpirationListener：當Kafka系統的代理節點和Zookeeper系統創建鏈接後，SessionExpirationListener中的handleNewSession函數會被調用，對於Zookeeper系統中會話過時的鏈接，會先進行一次判斷。

4.註冊分區和副本狀態機

Kafka系統的控制器主要負責管理主題、分區和副本。 Kafka系統在操做主題、分區和副本時，控制器會在Zookeeper系統的/brokers/topics節點，以及其子節點路徑上註冊一系列的監聽器。 使用Kafka應用接口或者是Kafka系統腳本建立一個主題時，服務端會將建立後的結果返回給客戶端。當客戶端收到建立成功的提示時，其實服務端並無實際建立主題，而只是在Zookeeper系統的/brokers/topics節點中建立了該主題對應的子節點名稱。

代理節點調用onBecomingLeader()函數實際上調用的是onControllerFailover()函數，因此在控制器調用onControllerFailover()函數時，會在初始化階段分別建立分區狀態機和副本狀態機。代碼以下所示：

def onControllerFailover() {
    if(isRunning) {
info("Broker %d starting become controller state
 transition".format(config.brokerId))
      readControllerEpochFromZookeeper()
      incrementControllerEpoch(zkUtils.zkClient)
      // 在/brokers/topics節點註冊監聽器
      registerReassignedPartitionsListener()
      registerIsrChangeNotificationListener()
      registerPreferredReplicaElectionListener()
      partitionStateMachine.registerListeners()      // 註冊分區狀態機
      replicaStateMachine.registerListeners()        // 註冊副本狀態機
      initializeControllerContext()
      // 在控制器初始化以後，在狀態機啓動以前，須要發送更新元數據請求
      sendUpdateMetadataRequest(controllerContext.liveOrShuttingDownBrokerIds.toSeq)
      
      replicaStateMachine.startup()                  // 啓動副本狀態機
      partitionStateMachine.startup()                // 啓動分區狀態機
      // 在自動故障轉移中爲全部主題註冊分區更改監聽器
      controllerContext.allTopics.foreach(topic => partitionStateMachine.
              registerPartitionChangeListener(topic))
      info("Broker %d is ready to serve as the new controller with epoch %d".
              format(config.brokerId, epoch))
      maybeTriggerPartitionReassignment()
      maybeTriggerPreferredReplicaElection()
      if (config.autoLeaderRebalanceEnable) {
        info("starting the partition rebalance scheduler")
        autoRebalanceScheduler.startup()
        autoRebalanceScheduler.schedule("partition-rebalance-thread", 
            checkAndTriggerPartitionRebalance,
              5, 
              config.leaderImbalanceCheckIntervalSeconds.toLong, 
              TimeUnit.SECONDS)
      }
      deleteTopicManager.start()
    }
    else
      info("Controller has been shut down, aborting startup/failover")
}

主題的分區狀態機經過registerListeners()函數，在Zookeeper系統中的/brokers/topics節點上註冊了TopicChangeListener和DeleteTopicListener兩個監聽器。建立一個主題時，主題信息、主題分區和副本會被寫到Zookeeper系統的/brokers/topics節點中，這就會觸發分區和副本狀態機註冊監聽器。

5.總結

Kafka系統總體來講，調試還算方便。下載Kafka源代碼，導入到IDE中，就能夠啓動整個Kafka系統了，能夠經過DEBUG的方式來親自了解控制器的執行流程。Kafka控制器選舉流程剖析

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