消息中間件—簡談Kafka中的NIO網路通信模型

摘要：很多人喜歡把RocketMQ與Kafka做對比，其實這兩款消息隊列的網路通信層還是比較相似的，本文就為大家簡要地介紹下Kafka的NIO網路通信模型，通過對Kafka源碼的分析來簡述其Reactor的多線程網路通信模型和總體框架結構，同時簡要介紹Kafka網路通信層的設計與具體實現。

一、Kafka網路通信模型的整體框架概述

Kafka的網路通信模型是基於NIO的Reactor多線程模型來設計的。這裡先引用Kafka源碼中注釋的一段話：

相信大家看了上面的這段引文注釋後，大致可以了解到Kafka的網路通信層模型，主要採用了 1（1個Acceptor線程）+N（N個Processor線程）+M（M個業務處理線程） 。下面的表格簡要的列舉了下（這裡先簡單的看下後面還會詳細說明）：

線程數線程名線程具體說明1kafka-socket-acceptor_%xAcceptor線程，負責監聽Client端發起的請求Nkafka-network-thread_%dProcessor線程，負責對Socket進行讀寫Mkafka-request-handler-_%dWorker線程，處理具體的業務邏輯並生成Response返回

Kafka網路通信層的完整框架圖如下圖所示：

Kafka消息隊列的通信層模型—1+N+M模型.png

剛開始看到上面的這個框架圖可能會有一些不太理解，並不要緊，這裡可以先對Kafka的網路通信層框架結構有一個大致了解。本文後面會結合Kafka的部分重要源碼來詳細闡述上面的過程。這裡可以簡單總結一下其網路通信模型中的幾個重要概念：

（1）， Acceptor ：1個接收線程，負責監聽新的連接請求，同時註冊OP_ACCEPT 事件，將新的連接按照 "round robin" 方式交給對應的 Processor 線程處理；

（2）， Processor ：N個處理器線程，其中每個 Processor 都有自己的 selector，它會向 Acceptor 分配的 SocketChannel 註冊相應的 OP_READ 事件，N 的大小由 「num.networker.threads」 決定；

（3）， KafkaRequestHandler ：M個請求處理線程，包含在線程池—KafkaRequestHandlerPool內部，從RequestChannel的全局請求隊列—requestQueue中獲取請求數據並交給KafkaApis處理，M的大小由 「num.io.threads」 決定；

（4）， RequestChannel ：其為Kafka服務端的請求通道，該數據結構中包含了一個全局的請求隊列 requestQueue和多個與Processor處理器相對應的響應隊列responseQueue，提供給Processor與請求處理線程KafkaRequestHandler和KafkaApis交換數據的地方。

（5）， NetworkClient ：其底層是對 Java NIO 進行相應的封裝，位於Kafka的網路介面層。Kafka消息生產者對象—KafkaProducer的send方法主要調用NetworkClient完成消息發送；

（6）， SocketServer ：其是一個NIO的服務，它同時啟動一個Acceptor接收線程和多個Processor處理器線程。提供了一種典型的Reactor多線程模式，將接收客戶端請求和處理請求相分離；

（7）， KafkaServer ：代表了一個Kafka Broker的實例；其startup方法為實例啟動的入口；

（8）， KafkaApis ：Kafka的業務邏輯處理Api，負責處理不同類型的請求；比如 「發送消息」、 「獲取消息偏移量—offset」 和 「處理心跳請求」 等；

二、Kafka網路通信層的設計與具體實現

這一節將結合Kafka網路通信層的源碼來分析其設計與實現，這裡主要詳細介紹網路通信層的幾個重要元素—SocketServer、Acceptor、Processor、RequestChannel和KafkaRequestHandler。本文分析的源碼部分均基於Kafka的0.11.0版本。

1、SocketServer

SocketServer是接收客戶端Socket請求連接、處理請求並返回處理結果的核心類，Acceptor及Processor的初始化、處理邏輯都是在這裡實現的。在KafkaServer實例啟動時會調用其startup的初始化方法，會初始化1個 Acceptor和N個Processor線程（每個EndPoint都會初始化，一般來說一個Server只會設置一個埠），其實現如下：

2、Acceptor

Acceptor是一個繼承自抽象類AbstractServerThread的線程類。Acceptor的主要任務是監聽並且接收客戶端的請求，同時建立數據傳輸通道—SocketChannel，然後以輪詢的方式交給一個後端的Processor線程處理（具體的方式是添加socketChannel至並發隊列並喚醒Processor線程處理）。

在該線程類中主要可以關注以下兩個重要的變數：

（1）， nioSelector ：通過NSelector.open()方法創建的變數，封裝了JAVA NIO Selector的相關操作；

（2）， serverChannel ：用於監聽埠的服務端Socket套接字對象；

下面來看下Acceptor主要的run方法的源碼：

在上面源碼中可以看到，Acceptor線程啟動後，首先會向用於監聽埠的服務端套接字對象—ServerSocketChannel上註冊OP_ACCEPT 事件。然後以輪詢的方式等待所關注的事件發生。如果該事件發生，則調用accept()方法對OP_ACCEPT事件進行處理。這裡，Processor是通過 round robin 方法選擇的，這樣可以保證後面多個Processor線程的負載基本均勻。

Acceptor的accept()方法的作用主要如下：

（1）通過SelectionKey取得與之對應的serverSocketChannel實例，並調用它的accept()方法與客戶端建立連接；

（2）調用connectionQuotas.inc()方法增加連接統計計數；並同時設置第（1）步中創建返回的socketChannel屬性（如sendBufferSize、KeepAlive、TcpNoDelay、configureBlocking等）

（3）將socketChannel交給processor.accept()方法進行處理。這裡主要是將socketChannel加入Processor處理器的並發隊列newConnections隊列中，然後喚醒Processor線程從隊列中獲取socketChannel並處理。其中，newConnections會被Acceptor線程和Processor線程並發訪問操作，所以newConnections是ConcurrentLinkedQueue隊列（一個基於鏈接節點的無界線程安全隊列）

3、Processor

Processor同Acceptor一樣，也是一個線程類，繼承了抽象類AbstractServerThread。其主要是從客戶端的請求中讀取數據和將KafkaRequestHandler處理完響應結果返回給客戶端。在該線程類中主要關注以下幾個重要的變數：

（1）， newConnections ：在上面的 Acceptor 一節中已經提到過，它是一種ConcurrentLinkedQueue[SocketChannel]類型的隊列，用於保存新連接交由Processor處理的socketChannel；

（2）， inflightResponses ：是一個Map[String, RequestChannel.Response]類型的集合，用於記錄尚未發送的響應；

（3）， selector ：是一個類型為KSelector變數，用於管理網路連接；

下面先給出Processor處理器線程run方法執行的流程圖：

Kafk_Processor線程的處理流程圖.png

從上面的流程圖中能夠可以看出Processor處理器線程在其主流程中主要完成了這樣子幾步操作：

（1）， 處理newConnections隊列中的socketChannel 。遍歷取出隊列中的每個socketChannel並將其在selector上註冊OP_READ事件；

（2）， 處理RequestChannel中與當前Processor對應響應隊列中的Response 。在這一步中會根據responseAction的類型（NoOpAction/SendAction/CloseConnectionAction）進行判斷，若為「NoOpAction」，表示該連接對應的請求無需響應；若為「SendAction」，表示該Response需要發送給客戶端，則會通過「selector.send」註冊OP_WRITE事件，並且將該Response從responseQueue響應隊列中移至inflightResponses集合中；「CloseConnectionAction」，表示該連接是要關閉的；

（3）， 調用selector.poll()方法進行處理 。該方法底層即為調用nioSelector.select()方法進行處理。

（4）， 處理已接受完成的數據包隊列—completedReceives 。在processCompletedReceives方法中調用「requestChannel.sendRequest」方法將請求Request添加至requestChannel的全局請求隊列—requestQueue中，等待KafkaRequestHandler來處理。同時，調用「selector.mute」方法取消與該請求對應的連接通道上的OP_READ事件；

（5）， 處理已發送完的隊列—completedSends 。當已經完成將response發送給客戶端，則將其從inflightResponses移除，同時通過調用「selector.unmute」方法為對應的連接通道重新註冊OP_READ事件；

（6）， 處理斷開連接的隊列 。將該response從inflightResponses集合中移除，同時將connectionQuotas統計計數減1；

4、RequestChannel

在Kafka的網路通信層中，RequestChannel為Processor處理器線程與KafkaRequestHandler線程之間的數據交換提供了一個數據緩衝區，是通信過程中Request和Response緩存的地方。因此，其作用就是在通信中起到了一個數據緩衝隊列的作用。Processor線程將讀取到的請求添加至RequestChannel的全局請求隊列—requestQueue中；KafkaRequestHandler線程從請求隊列中獲取並處理，處理完以後將Response添加至RequestChannel的響應隊列—responseQueue中，並通過responseListeners喚醒對應的Processor線程，最後Processor線程從響應隊列中取出後發送至客戶端。

5、KafkaRequestHandler

KafkaRequestHandler也是一種線程類，在KafkaServer實例啟動時候會實例化一個線程池—KafkaRequestHandlerPool對象（包含了若干個KafkaRequestHandler線程），這些線程以守護線程的方式在後台運行。在KafkaRequestHandler的run方法中會循環地從RequestChannel中阻塞式讀取request，讀取後再交由KafkaApis來具體處理。

6、KafkaApis

KafkaApis是用於處理對通信網路傳輸過來的業務消息請求的中心轉發組件。該組件反映出Kafka Broker Server可以提供哪些服務。

三、總結

仔細閱讀Kafka的NIO網路通信層的源碼過程中還是可以收穫不少關於NIO網路通信模塊的關鍵技術。Apache的任何一款開源中間件都有其設計獨到之處，值得借鑒和學習。對於任何一位使用Kafka這款分散式消息隊列的同學來說，如果能夠在一定實踐的基礎上，再通過閱讀其源碼能起到更為深入理解的效果，對於大規模Kafka集群的性能調優和問題定位都大有裨益。

對於剛接觸Kafka的同學來說，想要自己掌握其NIO網路通信層模型的關鍵設計，還需要不斷地使用本地環境進行debug調試和閱讀源碼反覆思考。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！