Kafka消费者--如何管理偏移量

大数据哔哔机 2019-10-13

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引言

在实际的项目开发中，消费kafka的过程中需要不断的更新偏移量，以便应用程序在重启过后能够从上次消费的位置开始继续消费数据，本篇推文让我们来看看管理偏移量的几种方式。以及如何保证消费端的Exactly Once。

正文

1. 自动提交

最简单的提交方式是让消费者自动提交偏移量。如果 enable.auto.commit 被设为 true，那么每过 5s，消费者会自动把从 poll() 方法接收到的最大偏移量提交上去。提交时间间隔由 auto.commit.interval.ms 控制，默认值是5s。消费者每次获取新数据时都会先把上一次poll()方法返回的最大偏移量提交上去。

可能造成的问题：数据重复读

假设我们仍然使用默认的 5s 提交时间间隔，在最近一次提交之后的 3s 发生了再均衡，再均衡之后，消费者从最后一次提交的偏移量位置开始读取消息。这个时候偏移量已经落后了 3s，所以在这 3s内到达的消息会被重复处理。可以通过修改提交时间间隔来更频繁地提交偏移量，减小可能出现重复消息的时间窗，不过这种情况是无法完全避免的。

2. 手动提交

(1) 同步提交

// 把auto.commit.offset设为false，让应用程序决定何时提交偏移量
props.put("auto.commit.offset", false);

try{
    while(true) {
        ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
        for(ConsumerRecord<String, String> record : records) {
            // 假设把记录内容打印出来就算处理完毕
            System.out.println("value = " + record.value() + ", topic = " + record.topic() + 
                    ", partition = " + record.partition() + ", offset = " + record.offset());
        }

        try{
            // 只要没有发生不可恢复的错误，commitSync() 方法会一直尝试直至提交成功
            // 如果提交失败，我们也只能把异常记录到错误日志里
            consumer.commitSync();
        }catch(CommitFailedException e) {
            System.err.println("commit  failed!" + e.getMessage());
        }
    }
}finally {
    consumer.close();
}

(2) 异步提交

手动提交有一个不足之处，在 broker 对提交请求作出回应之前，应用程序会一直阻塞，这样会限制应用程序的吞吐量。我们可以通过降低提交频率来提升吞吐量，但如果发生了再均衡，会增加重复消息的数量。

这个时候可以使用异步提交，只管发送提交请求，无需等待 broker 的响应。

// 把auto.commit.offset设为false，让应用程序决定何时提交偏移量
props.put("auto.commit.offset", false);

try{
    while(true) {
        ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
        for(ConsumerRecord<String, String> record : records) {
            System.out.println("value = " + record.value() + ", topic = " + record.topic() + 
                    ", partition = " + record.partition() + ", offset = " + record.offset());
        }
        // 提交最后一个偏移量，然后继续做其他事情。
        consumer.commitAsync();
    }
}finally {
    consumer.close();
}

在成功提交或碰到无法恢复的错误之前，commitSync()会一直重试，但是commitAsync()不会，这也是commitAsync()不好的一个地方。它之所以不进行重试，是因为在它收到服务器响应的时候，可能有一个更大的偏移量已经提交成功。

假设我们发出一个请求用于提交偏移量2000，这个时候发生了短暂的通信问题，服务器收不到请求，自然也不会作出任何响应。与此同时，我们处理了另外一批消息，并成功提交了偏移量3000。如果commitAsync()重新尝试提交偏移量2000，它有可能在偏移量3000之后提交成功。这个时候如果发生再均衡，就会出现重复消息。

commitAsync()也支持回调，在broker作出响应时会执行回调：

// 把auto.commit.offset设为false，让应用程序决定何时提交偏移量
props.put("auto.commit.offset", false);

try {
    while (true) {
        ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
        for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
            System.out.println("value = " + record.value() + ", topic = " + record.topic() + ", partition = "
                    + record.partition() + ", offset = " + record.offset());
        }
        consumer.commitAsync(new OffsetCommitCallback() {
            @Override
            public void onComplete(Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> offsets, Exception exception) {
                if(offsets != null) {
                    System.out.println("commit offset successful!");
                }
                if(exception != null) {
                    System.out.println("commit offset fail!" + exception.getMessage());
                }
            }
        });
    }
} finally {
    consumer.close();
}

可以在回调中重试失败的提交，以下为思路：使用一个单调递增的序列号来维护异步提交的顺序。在每次提交偏移量之后或在回调里提交偏移量时递增序列号。在进行重试前，先检查回调的序列号和即将提交的偏移量是否相等，如果相等，说明没有新的提交，那么可以安全地进行重试。如果序列号比较大，说明有一个新的提交已经发送出去了，应该停止重试。

(3) 同步和异步组合提交

一般情况下，针对偶尔出现的提交失败，不进行重试不会有太大问题，因为如果提交失败是因为临时问题导致的，那么后续的提交总会有成功的。但如果这是发生在关闭消费者或再均衡前的最后一次提交，就要确保能够提交成功。

try {
    while (true) {
        ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
        for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
            System.out.println("value = " + record.value() + ", topic = " + record.topic() + ", partition = "
                    + record.partition() + ", offset = " + record.offset());
        }
        // 如果一切正常，我们使用 commitAsync() 方法来提交
        // 这样速度更快，而且即使这次提交失败，下一次提交很可能会成功
        consumer.commitAsync();
    }
}catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}finally {
    try {
        // 使用 commitSync() 方法会一直重试，直到提交成功或发生无法恢复的错误
        // 确保关闭消费者之前成功提交了偏移量
        consumer.commitSync();
    }finally {
        consumer.close();
    }
}

(4) 提交特定的偏移量

不管是自动提交还是使用commitAsync()或者commitSync()来提交偏移量，提交的都是 poll() 方法返回的那批数据的最大偏移量，想要自定义在什么时候提交偏移量可以这么做：

Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> currentOffsets = new HashMap<>(); 
int count = 0;

......

try {
    while (true) {
        ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
        for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
            System.out.println("value = " + record.value() + ", topic = " + record.topic() + ", partition = "
                    + record.partition() + ", offset = " + record.offset());

            currentOffsets.put(new TopicPartition(record.topic(), record.partition()), 
                    new OffsetAndMetadata(record.offset() + 1, "no metadata"));

            if (count % 1000 == 0) {
                //  这里调用的是 commitAsync()，不过调用 commitSync() 也是完全可以的
                // 当然，在提交特定偏移量时，仍然要处理可能发生的错误
                consumer.commitAsync(currentOffsets, null);
            }

            count++;         
        }
    }
}finally {
    consumer.close();
}

3. 分区再均衡监听器

消费者在退出和进行分区再均衡之前，应该做一些正确的事情：

提交最后一个已处理记录的偏移量(必须做) 根据之前处理数据的业务不同，你可能还需要关闭数据库连接池、清空缓存等程序如何能得知集群要进行"分区再均衡"了？消费者 API 提供了再均衡监听器，以下程序可以做到 kafka 消费数据的 Exactly Once 语义：

package com.bonc.rdpe.kafka110.consumer;

import java.util.Collection;
import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Properties;

import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRebalanceListener;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecords;
import org.apache.kafka.clients.consumer.KafkaConsumer;
import org.apache.kafka.clients.consumer.OffsetAndMetadata;
import org.apache.kafka.common.TopicPartition;

/**
 * @Title RebalanceListenerConsumer.java
 * @Description 再均衡监听器
 * @Author YangYunhe
 * @Date 2018-06-27 17:35:05
 */
public class RebalanceListenerConsumer {

    public static void main(String[] args) {

        Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> currentOffsets = new HashMap<>(); 

        Properties props = new Properties();
        props.put("bootstrap.servers", "192.168.42.89:9092,192.168.42.89:9093,192.168.42.89:9094");
        // 把auto.commit.offset设为false，让应用程序决定何时提交偏移量
        props.put("auto.commit.offset", false);
        props.put("group.id", "dev3-yangyunhe-group001");
        props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        KafkaConsumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);

        consumer.subscribe(Collections.singletonList("dev3-yangyunhe-topic001"), new ConsumerRebalanceListener() {

            /*
             * 再均衡开始之前和消费者停止读取消息之后被调用
             * 如果在这里提交偏移量，下一个接管分区的消费者就知道该从哪里开始读取了
             */
            @Override
            public void onPartitionsRevoked(Collection<TopicPartition> partitions) {
                // 如果发生再均衡，我们要在即将失去分区所有权时提交偏移量
                // 要注意，提交的是最近处理过的偏移量，而不是批次中还在处理的最后一个偏移量
                System.out.println("Lost partitions in rebalance. Committing current offsets:" + currentOffsets);
                consumer.commitSync(currentOffsets);
            }

            /*
             * 在重新分配分区之后和新的消费者开始读取消息之前被调用
             */
            @Override
            public void onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {

                long committedOffset = -1;
                for(TopicPartition topicPartition : partitions) {
                    // 获取该分区已经消费的偏移量
                    committedOffset = consumer.committed(topicPartition).offset();
                    // 重置偏移量到上一次提交的偏移量的下一个位置处开始消费
                    consumer.seek(topicPartition, committedOffset + 1);
                }

            }
        });

        try {
            while (true) {
                ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
                for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                    System.out.println("value = " + record.value() + ", topic = " + record.topic() + ", partition = "
                            + record.partition() + ", offset = " + record.offset());

                    currentOffsets.put(new TopicPartition(record.topic(), record.partition()), 
                            new OffsetAndMetadata(record.offset() + 1, "no metadata"));
                }
                consumer.commitAsync(currentOffsets, null);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try{
                consumer.commitSync(currentOffsets);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                consumer.close();
                System.out.println("Closed consumer successfully!");
            }
        }
    }
}

当然你也可以选择再均衡后从头开始消费：

consumer.subscribe(Collections.singletonList("dev3-yangyunhe-topic001"), new ConsumerRebalanceListener() {

    @Override
    public void onPartitionsRevoked(Collection<TopicPartition> partitions) {
        System.out.println("starting partitions rebalance...");
    }

    @Override
    public void onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {
        consumer.seekToBeginning(partitions);
    }
});
以上代码与 props.put("auto.offset.reset", "earliest");是等效的。

设置从最新消息开始消费：

consumer.subscribe(Collections.singletonList("dev3-yangyunhe-topic001"), new ConsumerRebalanceListener() {

    @Override
    public void onPartitionsRevoked(Collection<TopicPartition> partitions) {
        System.out.println("starting partitions rebalance...");
    }

    @Override
    public void onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {
        consumer.seekToEnd(partitions);
    }
});

以上代码与props.put("auto.offset.reset", "latest");等效。

4. 涉及到数据库的 Exactly Once 语义的实现思路

当处理 Kafka 中的数据涉及到数据库时，那么即使每处理一条数据提交一次偏移量，也可以造成数据重复处理或者丢失数据，看以下为伪代码：

Map<TopicPartition, OffsetAndMetadata> currentOffsets = new HashMap<>(); 
......

while (true) { 
    ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(100); 
    for (ConsumerRecord<String, String> record : records) { 

    currentOffsets.put(new TopicPartition(record.topic(), record.partition()), 
 new OffsetAndMetadata(record.offset() + 1); 

    // 处理数据
    processRecord(record); 
    // 把数据存储到数据库中
    storeRecordInDB(record); 

    // 提交偏移量
    consumer.commitAsync(currentOffsets); 
 } 
}

假设把数据存储到数据库后，没有来得及提交偏移量程序就因某种原因挂掉了，那么程序再次启动后就会重复处理数据，数据库中会有重复的数据。

如果把存储到数据库和提交偏移量在一个原子操作里完成，就可以避免这样的问题，但数据存到数据库，偏移量保存到kafka是无法实现原子操作的，而如果把数据存储到数据库中，偏移量也存储到数据库中，这样就可以利用数据库的事务来把这两个操作设为一个原子操作，同时结合再均衡监听器就可以实现 Exactly Once 语义，以下为伪代码：

consumer.subscribe(Collections<String> topics, new ConsumerRebalanceListener() {

    @Override
    public void onPartitionsRevoked(Collection<TopicPartition> partitions) {
        // 发生分区再均衡之前，提交事务
        commitDBTransaction();
    }

    @Override
    public void onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {
        // 再均衡之后，从数据库获得消费偏移量
        for(TopicPartition topicPartition : partitions) {
            consumer.seek(topicPartition, getOffsetFromDB(topicPartition));
        }
    }
});

/**
 * 消费之前调用一次 poll()，让消费者加入到消费组中，并获取分配的分区
 * 然后马上调用 seek() 方法定位分区的偏移量
 * seek() 设置消费偏移量，设置的偏移量是从数据库读出来的，说明本次设置的偏移量已经被处理过
 * 下一次调用 poll() 就会在本次设置的偏移量上加1，开始处理没有处理过的数据
 * 如果seek()发生错误，比如偏移量不存在，则会抛出异常
 */
consumer.poll(0);
for(TopicPartition topicPartition : consumer.assignment()) {
    consumer.seek(topicPartition, getOffsetFromDB(topicPartition));
}

while (true) {
    ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
    for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
        // 处理数据
        processRecord(record); 
        // 把数据存储到数据库中
        storeRecordInDB(record); 
        // 把偏移量存储到数据库中
        storeOffsetInDB(record.topic(), record.partition(), record.offset()); 
    }
    // 以上3步为一个事务，提交事务，这里在每个批次末尾提交一次事务，是为了提高性能
    commitDBTransaction();
}

把偏移量和记录保存到用一个外部系统来实现 Exactly Once 有很多方法，但核心思想都是：结合 ConsumerRebalanceListener 和 seek() 方法来确保能够及时保存偏移量，并保证消费者总是能够从正确的位置开始读取消息。

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