Kafka中消息丢失和重复消费,以及Leader选举机制
一、Kafka中的消息是否会丢失和重复消费
要确定Kafka的消息是否丢失或重复，从两个方面分析入手：消息发送和消息消费
1、消息发送
kafka消息发送有同步（sync）、异步（async）两种，以及三种消息确认方式。
1). sync vs async
Kafka消息发送有两种方式：同步（sync）和异步（async），可通过默认是同步方式producer.type属性进行配置。
在官方文档Producer Configs中有如下：
| Property | Default | Description |
|---|---|---|
| producer.type | sync | This parameter specifies whether the messages are sent asynchronously in a background thread. Valid values are (1) async for asynchronous send and (2) sync for synchronous send. By setting the producer to async we allow batching together of requests (which is great for throughput) but open the possibility of a failure of the client machine dropping unsent data. |
翻译过来就是：
producer.type的默认值是sync，即同步的方式。这个参数指定了在后台线程中消息的发送方式是同步的还是异步的。如果设置成异步的模式，可以运行生产者以batch的形式push数据，这样会极大的提高broker的性能，但是这样会增加丢失数据的风险。
对于异步模式，还有4个配套的参数，如下：
| Property | Default | Description |
|---|---|---|
| queue.buffering.max.ms | 5000 | 启用异步模式时，producer缓存消息的时间。比如我们设置成1000时，它会缓存1s的数据再一次发送出去，这样可以极大的增加broker吞吐量，但也会造成时效性的降低。 |
| queue.buffering.max.messages | 10000 | 启用异步模式时，producer缓存队列里最大缓存的消息数量，如果超过这个值，producer就会阻塞或者丢掉消息。 |
| queue.enqueue.timeout.ms | -1 | 当达到上面参数时producer会阻塞等待的时间。如果设置为0，buffer队列满时producer不会阻塞，消息直接被丢掉；若设置为-1，producer会被阻塞，不会丢消息。 |
| batch.num.messages | 200 | 启用异步模式时，一个batch缓存的消息数量。达到这个数值时，producer才会发送消息。（每次批量发送的数量） |
以batch的方式推送数据可以极大的提高处理效率，kafka producer可以将消息在内存中累计到一定数量后作为一个batch发送请求。batch的数量大小可以通过producer的参数（batch.num.messages）控制。通过增加batch的大小，可以减少网络请求和磁盘IO的次数，当然具体参数设置需要在效率和时效性方面做一个权衡。在比较新的版本中还有batch.size这个参数。
2). acks
producers可以一步的并行向kafka发送消息，但是通常producer在发送完消息之后会得到一个响应，返回的是offset值或者发送过程中遇到的错误。这其中有个非常重要的参数“request.required.acks"，这个参数决定了producer要求leader partition收到确认的副本个数，如果acks设置为0，表示producer不会等待broker的相应，所以，producer无法知道消息是否发生成功，这样有可能导致数据丢失，但同时，acks值为0会得到最大的系统吞吐量。若acks设置为1，表示producer会在leader partition收到消息时得到broker的一个确认，这样会有更好的可靠性，因为客户端会等待知道broker确认收到消息。若设置为-1，producer会在所有ISR副本完成同步时，得到broker的确认，这个设置可以得到最高的可靠性保证。
Kafka的消息确认方式通过配置request.required.acks属性配置（仅仅for sync）：
| Property | Default | Description |
|---|---|---|
| acks | 1 | 此配置是 Producer 在确认一个请求发送完成之前需要收到的反馈信息的数量。 这个参数是为了保证发送请求的可靠性。以下配置方式是允许的：acks=0 如果设置为0，则 producer 不会等待服务器的反馈。该消息会被立刻添加到 socket buffer 中并认为已经发送完成。在这种情况下，服务器是否收到请求是没法保证的，并且参数retries也不会生效（因为客户端无法获得失败信息）。每个记录返回的 offset 总是被设置为-1。 acks=1 如果设置为1，leader节点会将记录写入本地日志，并且在所有 follower 节点反馈之前就先确认成功。在这种情况下，如果 leader 节点在接收记录之后，并且在 follower 节点复制数据完成之前产生错误，则这条记录会丢失。acks=all 如果设置为all，这就意味着 leader 节点会等待所有同步中的副本确认之后再确认这条记录是否发送完成。只要至少有一个同步副本存在，记录就不会丢失。这种方式是对请求传递的最有效保证。acks=-1与acks=all是等效的。 |
简单说：
0---表示不进行消息接收是否成功的确认；
1---表示当Leader接收成功时确认；
-1---表示Leader和Follower都接收成功时确认；
3）分析
下面分情况来分析消息丢失的场景：
1）在request.required.acks配置为1（只保证写入leader成功）的话，如果刚好leader partition挂了，数据就会丢失。
2）使用异步模式的时候，当缓冲区满了，如果阻塞等待的时间配置为0（还没有收到确认的情况下，缓冲池一满，就清除缓冲池里的消息），数据就会被立即丢弃掉。
在数据生产时避免数据丢失的方法：
只要能避免上述两种情况，那么就可以保证消息不会被丢失。
1）确认机制设置为-1，也就是让消息写入leader和所有的ISR副本。
2）还有，在异步模式下，如果消息发出去了，但还没有收到确认的时候，缓冲池满了，在配置文件中设置成不限制阻塞超时的时间，也就说让生产端一直阻塞，这样也能保证数据不会丢失。
2、消息消费
Kafka消息消费有两个consumer接口，Low-level API和High-level API：
Low-level API：消费者自己维护offset等值，可以实现对Kafka的完全控制；
High-level API：封装了对parition和offset的管理，使用简单；
丢失消息的场景：
如果使用高级接口High-level API，可能存在一个问题就是当消息消费者从集群中把消息取出来、并提交了新的消息offset值后，还没来得及消费就挂掉了，那么下次再消费时之前没消费成功的消息就“诡异”的消失了；
解决办法：
enable.auto.commit=false 关闭自动提交位移，并确认数据被完成处理之后，再更新offset值。
如果使用了storm，要开启storm的ackfail机制；如果没有使用storm，低级API中需要手动控制offset值。
3.数据重复消费
（1）去重：将消息的唯一标识保存到外部介质中，每次消费处理时判断是否处理过；
（2）不管：大数据场景中，报表系统或者日志信息丢失几条都无所谓，不会影响最终的统计分析结
二、Kafka的Leader选举机制
Kafka将每个Topic进行分区Patition，以提高消息的并行处理，同时为保证高可用性，每个分区都有一定数量的副本 Replica，这样当部分服务器不可用时副本所在服务器就可以接替上来，保证系统可用性。在Leader上负责读写，Follower负责数据的同步。当一个Leader发生故障如何从Follower中选择新Leader呢？
Kafka在Zookeeper上针对每个Topic都维护了一个ISR（in-sync replica---已同步的副本）的集合，集合的增减Kafka都会更新该记录。如果某分区的Leader不可用，Kafka就从ISR集合中选择一个副本作为新的Leader。这样就可以容忍的失败数比较高，假如某Topic有N+1个副本，则可以容忍N个服务器不可用。
如果ISR中副本都不可用，有两种处理方法：
等待一个 ISR 的副本重新恢复正常服务，并选择这个副本作为领 leader （它有极大可能拥有全部数据）。
选择第一个重新恢复正常服务的副本（不一定是 ISR 中的）作为leader。
附：
Unclean leader 选举: 如果节点全挂了？
请注意，Kafka 对于数据不会丢失的保证，是基于至少一个节点在保持同步状态，一旦分区上的所有备份节点都挂了，就无法保证了。
但是，实际在运行的系统需要去考虑假设一旦所有的备份都挂了，怎么去保证数据不会丢失，这里有两种实现的方法
等待一个 ISR 的副本重新恢复正常服务，并选择这个副本作为领 leader （它有极大可能拥有全部数据）。
选择第一个重新恢复正常服务的副本（不一定是 ISR 中的）作为leader。
这是可用性和一致性之间的简单妥协，如果我只等待 ISR 的备份节点，那么只要 ISR 备份节点都挂了，我们的服务将一直会不可用，如果它们的数据损坏了或者丢失了，那就会是长久的宕机。另一方面，如果不是 ISR 中的节点恢复服务并且我们允许它成为 leader ， 那么它的数据就是可信的来源，即使它不能保证记录了每一个已经提交的消息。 kafka 默认选择第二种策略，当所有的 ISR 副本都挂掉时，会选择一个可能不同步的备份作为 leader ，可以配置属性 unclean.leader.election.enable 禁用此策略，那么就会使用第 一种策略即停机时间优于不同步。
这种困境不只有 Kafka 遇到，它存在于任何 quorum-based 规则中。例如，在大多数投票算法当中，如果大多数服务器永久性的挂了，那么您要么选择丢失100%的数据，要么违背数据的一致性选择一个存活的服务器作为数据可信的来源。
可用性和持久性保证
向 Kafka 写数据时，producers 设置 ack 是否提交完成， 0：不等待broker返回确认消息,1: leader保存成功返回或, -1(all): 所有备份都保存成功返回.请注意. 设置 “ack = all” 并不能保证所有的副本都写入了消息。默认情况下，当 acks = all 时，只要 ISR 副本同步完成，就会返回消息已经写入。例如，一个 topic 仅仅设置了两个副本，那么只有一个 ISR 副本，那么当设置acks = all时返回写入成功时，剩下了的那个副本数据也可能数据没有写入。 尽管这确保了分区的最大可用性，但是对于偏好数据持久性而不是可用性的一些用户，可能不想用这种策略，因此，我们提供了两个topic 配置，可用于优先配置消息数据持久性：
禁用 unclean leader 选举机制 - 如果所有的备份节点都挂了,分区数据就会不可用，直到最近的 leader 恢复正常。这种策略优先于数据丢失的风险， 参看上一节的 unclean leader 选举机制。
指定最小的 ISR 集合大小，只有当 ISR 的大小大于最小值，分区才能接受写入操作，以防止仅写入单个备份的消息丢失造成消息不可用的情况，这个设置只有在生产者使用 acks = all 的情况下才会生效，这至少保证消息被 ISR 副本写入。此设置是一致性和可用性 之间的折衷，对于设置更大的最小ISR大小保证了更好的一致性，因为它保证将消息被写入了更多的备份，减少了消息丢失的可能性。但是，这会降低可用性，因为如果 ISR 副本的数量低于最小阈值，那么分区将无法写入。