消息中间件—简谈Kafka中的NIO网络通信模型

文章摘要:很多人喜欢把RocketMQ与Kafka做对比,其实这两款消息队列的网络通信层还是比较相似的,本文就为大家简要地介绍下Kafka的NIO网络通信模型

前面写的两篇RocketMQ源码研究笔记系列:
(1)消息中间件—RocketMQ的RPC通信(一)
(2)消息中间件—RocketMQ的RPC通信(二)
基本上已经较为详细地将RocketMQ这款分布式消息队列的RPC通信部分的协议格式、消息编解码、通信方式(同步/异步/单向)、消息收发流程和Netty的Reactor多线程分离处理架构讲了一遍。同时,联想业界大名鼎鼎的另一款开源分布式消息队列—Kafka,具备高吞吐量和高并发的特性,其网络通信层是如何做到消息的高效传输的呢?为了解开自己心中的疑虑,就查阅了Kafka的Network通信模块的源码,乘机会写本篇文章。
本文主要通过对Kafka源码的分析来简述其Reactor的多线程网络通信模型和总体框架结构,同时简要介绍Kafka网络通信层的设计与具体实现。

一、Kafka网络通信模型的整体框架概述

Kafka的网络通信模型是基于NIO的Reactor多线程模型来设计的。这里先引用Kafka源码中注释的一段话:

An NIO socket server. The threading model is
1 Acceptor thread that handles new connections.
Acceptor has N Processor threads that each have their own selector and read requests from sockets.
M Handler threads that handle requests and produce responses back to the processor threads for writing.

相信大家看了上面的这段引文注释后,大致可以了解到Kafka的网络通信层模型,主要采用了1(1个Acceptor线程)+N(N个Processor线程)+M(M个业务处理线程)。下面的表格简要的列举了下(这里先简单的看下后面还会详细说明):

线程数 线程名 线程具体说明
1 kafka-socket-acceptor_%x Acceptor线程,负责监听Client端发起的请求
N kafka-network-thread_%d Processor线程,负责对Socket进行读写
M kafka-request-handler-_%d Worker线程,处理具体的业务逻辑并生成Response返回

Kafka网络通信层的完整框架图如下图所示:


Kafka消息队列的通信层模型—1+N+M模型.png

刚开始看到上面的这个框架图可能会有一些不太理解,并不要紧,这里可以先对Kafka的网络通信层框架结构有一个大致了解。本文后面会结合Kafka的部分重要源码来详细阐述上面的过程。这里可以简单总结一下其网络通信模型中的几个重要概念:
(1),Acceptor:1个接收线程,负责监听新的连接请求,同时注册OP_ACCEPT 事件,将新的连接按照"round robin"方式交给对应的 Processor 线程处理;
(2),Processor:N个处理器线程,其中每个 Processor 都有自己的 selector,它会向 Acceptor 分配的 SocketChannel 注册相应的 OP_READ 事件,N 的大小由“num.networker.threads”决定;
(3),KafkaRequestHandler:M个请求处理线程,包含在线程池—KafkaRequestHandlerPool内部,从RequestChannel的全局请求队列—requestQueue中获取请求数据并交给KafkaApis处理,M的大小由“num.io.threads”决定;
(4),RequestChannel:其为Kafka服务端的请求通道,该数据结构中包含了一个全局的请求队列 requestQueue和多个与Processor处理器相对应的响应队列responseQueue,提供给Processor与请求处理线程KafkaRequestHandler和KafkaApis交换数据的地方。
(5),NetworkClient:其底层是对 Java NIO 进行相应的封装,位于Kafka的网络接口层。Kafka消息生产者对象—KafkaProducer的send方法主要调用NetworkClient完成消息发送;
(6),SocketServer:其是一个NIO的服务,它同时启动一个Acceptor接收线程和多个Processor处理器线程。提供了一种典型的Reactor多线程模式,将接收客户端请求和处理请求相分离;
(7),KafkaServer:代表了一个Kafka Broker的实例;其startup方法为实例启动的入口;
(8),KafkaApis:Kafka的业务逻辑处理Api,负责处理不同类型的请求;比如“发送消息”“获取消息偏移量—offset”“处理心跳请求”等;

二、Kafka网络通信层的设计与具体实现

这一节将结合Kafka网络通信层的源码来分析其设计与实现,这里主要详细介绍网络通信层的几个重要元素—SocketServer、Acceptor、Processor、RequestChannel和KafkaRequestHandler。本文分析的源码部分均基于Kafka的0.11.0版本。

1、SocketServer

SocketServer是接收客户端Socket请求连接、处理请求并返回处理结果的核心类,Acceptor及Processor的初始化、处理逻辑都是在这里实现的。在KafkaServer实例启动时会调用其startup的初始化方法,会初始化1个 Acceptor和N个Processor线程(每个EndPoint都会初始化,一般来说一个Server只会设置一个端口),其实现如下:

def startup() {
    this.synchronized {

      connectionQuotas = new ConnectionQuotas(maxConnectionsPerIp, maxConnectionsPerIpOverrides)

      val sendBufferSize = config.socketSendBufferBytes
      val recvBufferSize = config.socketReceiveBufferBytes
      val brokerId = config.brokerId

      var processorBeginIndex = 0
      // 一个broker一般只设置一个端口
      config.listeners.foreach { endpoint =>
        val listenerName = endpoint.listenerName
        val securityProtocol = endpoint.securityProtocol
        val processorEndIndex = processorBeginIndex + numProcessorThreads
        //N 个 processor
        for (i <- processorBeginIndex until processorEndIndex)
          processors(i) = newProcessor(i, connectionQuotas, listenerName, securityProtocol, memoryPool)
        //1个 Acceptor
        val acceptor = new Acceptor(endpoint, sendBufferSize, recvBufferSize, brokerId,
          processors.slice(processorBeginIndex, processorEndIndex), connectionQuotas)
        acceptors.put(endpoint, acceptor)
        KafkaThread.nonDaemon(s"kafka-socket-acceptor-$listenerName-$securityProtocol-${endpoint.port}", acceptor).start()
        acceptor.awaitStartup()

        processorBeginIndex = processorEndIndex
      }
    }

2、Acceptor

Acceptor是一个继承自抽象类AbstractServerThread的线程类。Acceptor的主要任务是监听并且接收客户端的请求,同时建立数据传输通道—SocketChannel,然后以轮询的方式交给一个后端的Processor线程处理(具体的方式是添加socketChannel至并发队列并唤醒Processor线程处理)。
在该线程类中主要可以关注以下两个重要的变量:
(1),nioSelector:通过NSelector.open()方法创建的变量,封装了JAVA NIO Selector的相关操作;
(2),serverChannel:用于监听端口的服务端Socket套接字对象;
下面来看下Acceptor主要的run方法的源码:

def run() {
    //首先注册OP_ACCEPT事件
    serverChannel.register(nioSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT)
    startupComplete()
    try {
      var currentProcessor = 0
      //以轮询方式查询并等待关注的事件发生
      while (isRunning) {
        try {
          val ready = nioSelector.select(500)
          if (ready > 0) {
            val keys = nioSelector.selectedKeys()
            val iter = keys.iterator()
            while (iter.hasNext && isRunning) {
              try {
                val key = iter.next
                iter.remove()
                if (key.isAcceptable)
                  //如果事件发生则调用accept方法对OP_ACCEPT事件处理
                  accept(key, processors(currentProcessor))
                else
                  throw new IllegalStateException("Unrecognized key state for acceptor thread.")
                //轮询算法
                // round robin to the next processor thread
                currentProcessor = (currentProcessor + 1) % processors.length
              } catch {
                case e: Throwable => error("Error while accepting connection", e)
              }
            }
          }
        }
       //代码省略
  }

  def accept(key: SelectionKey, processor: Processor) {
    val serverSocketChannel = key.channel().asInstanceOf[ServerSocketChannel]
    val socketChannel = serverSocketChannel.accept()
    try {
      connectionQuotas.inc(socketChannel.socket().getInetAddress)
      socketChannel.configureBlocking(false)
      socketChannel.socket().setTcpNoDelay(true)
      socketChannel.socket().setKeepAlive(true)
      if (sendBufferSize != Selectable.USE_DEFAULT_BUFFER_SIZE)
        socketChannel.socket().setSendBufferSize(sendBufferSize)

      processor.accept(socketChannel)
    } catch {
        //省略部分代码
    }
  }

  def accept(socketChannel: SocketChannel) {
    newConnections.add(socketChannel)
    wakeup()
  }

在上面源码中可以看到,Acceptor线程启动后,首先会向用于监听端口的服务端套接字对象—ServerSocketChannel上注册OP_ACCEPT 事件。然后以轮询的方式等待所关注的事件发生。如果该事件发生,则调用accept()方法对OP_ACCEPT事件进行处理。这里,Processor是通过round robin方法选择的,这样可以保证后面多个Processor线程的负载基本均匀。
Acceptor的accept()方法的作用主要如下:
(1)通过SelectionKey取得与之对应的serverSocketChannel实例,并调用它的accept()方法与客户端建立连接;
(2)调用connectionQuotas.inc()方法增加连接统计计数;并同时设置第(1)步中创建返回的socketChannel属性(如sendBufferSize、KeepAlive、TcpNoDelay、configureBlocking等)
(3)将socketChannel交给processor.accept()方法进行处理。这里主要是将socketChannel加入Processor处理器的并发队列newConnections队列中,然后唤醒Processor线程从队列中获取socketChannel并处理。其中,newConnections会被Acceptor线程和Processor线程并发访问操作,所以newConnections是ConcurrentLinkedQueue队列(一个基于链接节点的无界线程安全队列)

3、Processor

Processor同Acceptor一样,也是一个线程类,继承了抽象类AbstractServerThread。其主要是从客户端的请求中读取数据和将KafkaRequestHandler处理完响应结果返回给客户端。在该线程类中主要关注以下几个重要的变量:
(1),newConnections:在上面的Acceptor一节中已经提到过,它是一种ConcurrentLinkedQueue[SocketChannel]类型的队列,用于保存新连接交由Processor处理的socketChannel;
(2),inflightResponses:是一个Map[String, RequestChannel.Response]类型的集合,用于记录尚未发送的响应;
(3),selector:是一个类型为KSelector变量,用于管理网络连接;
下面先给出Processor处理器线程run方法执行的流程图:

Kafk_Processor线程的处理流程图.png

从上面的流程图中能够可以看出Processor处理器线程在其主流程中主要完成了这样子几步操作:
(1),处理newConnections队列中的socketChannel。遍历取出队列中的每个socketChannel并将其在selector上注册OP_READ事件;
(2),处理RequestChannel中与当前Processor对应响应队列中的Response。在这一步中会根据responseAction的类型(NoOpAction/SendAction/CloseConnectionAction)进行判断,若为“NoOpAction”,表示该连接对应的请求无需响应;若为“SendAction”,表示该Response需要发送给客户端,则会通过“selector.send”注册OP_WRITE事件,并且将该Response从responseQueue响应队列中移至inflightResponses集合中;“CloseConnectionAction”,表示该连接是要关闭的;
(3),调用selector.poll()方法进行处理。该方法底层即为调用nioSelector.select()方法进行处理。
(4),处理已接受完成的数据包队列—completedReceives。在processCompletedReceives方法中调用“requestChannel.sendRequest”方法将请求Request添加至requestChannel的全局请求队列—requestQueue中,等待KafkaRequestHandler来处理。同时,调用“selector.mute”方法取消与该请求对应的连接通道上的OP_READ事件;
(5),处理已发送完的队列—completedSends。当已经完成将response发送给客户端,则将其从inflightResponses移除,同时通过调用“selector.unmute”方法为对应的连接通道重新注册OP_READ事件;
(6),处理断开连接的队列。将该response从inflightResponses集合中移除,同时将connectionQuotas统计计数减1;

4、RequestChannel

在Kafka的网络通信层中,RequestChannel为Processor处理器线程与KafkaRequestHandler线程之间的数据交换提供了一个数据缓冲区,是通信过程中Request和Response缓存的地方。因此,其作用就是在通信中起到了一个数据缓冲队列的作用。Processor线程将读取到的请求添加至RequestChannel的全局请求队列—requestQueue中;KafkaRequestHandler线程从请求队列中获取并处理,处理完以后将Response添加至RequestChannel的响应队列—responseQueue中,并通过responseListeners唤醒对应的Processor线程,最后Processor线程从响应队列中取出后发送至客户端。

5、KafkaRequestHandler

KafkaRequestHandler也是一种线程类,在KafkaServer实例启动时候会实例化一个线程池—KafkaRequestHandlerPool对象(包含了若干个KafkaRequestHandler线程),这些线程以守护线程的方式在后台运行。在KafkaRequestHandler的run方法中会循环地从RequestChannel中阻塞式读取request,读取后再交由KafkaApis来具体处理。

6、KafkaApis

KafkaApis是用于处理对通信网络传输过来的业务消息请求的中心转发组件。该组件反映出Kafka Broker Server可以提供哪些服务。

三、总结

仔细阅读Kafka的NIO网络通信层的源码过程中还是可以收获不少关于NIO网络通信模块的关键技术。Apache的任何一款开源中间件都有其设计独到之处,值得借鉴和学习。对于任何一位使用Kafka这款分布式消息队列的同学来说,如果能够在一定实践的基础上,再通过阅读其源码能起到更为深入理解的效果,对于大规模Kafka集群的性能调优和问题定位都大有裨益。
对于刚接触Kafka的同学来说,想要自己掌握其NIO网络通信层模型的关键设计,还需要不断地使用本地环境进行debug调试和阅读源码反复思考。限于笔者的才疏学浅,对本文内容可能还有理解不到位的地方,如有阐述不合理之处还望留言一起探讨。后续还会根据自己的实践和研发,陆续发布关于Kafka分布式消息队列的其他相关技术文章,敬请关注。

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