简介
在使用kafka时，大多数场景对于数据少量的不一致（重复或者丢失）并不关注，比如日志，因为不会影响最终的使用或者分析，但是在某些应用场景（比如业务数据），需要对任何一条消息都要做到精确一次的消费，才能保证系统的正确性，kafka并不提供准确一致的消费API，需要我们在实际使用时借用外部的一些手段来保证消费的精确性，下面我们介绍如何实现
kafka消费机制这篇文章KafkaConsumer使用介绍、参数配置介绍了如何kafka具有两种提交offset（消费偏移量）方式，我们在Kafka简介以及安装和使用可知每个分区具备一offset记录消费位置，如果消费者一直处于正常的运行转态，那么offset将没有什么用处，因为正常消费时，consumer记录了本次消费的offset和下一次将要进行poll数据的offset起始位置，但是如果消费者发生崩溃或者有新的消费者加入消费者组，就会触发再均衡Rebalance，Rebalance之后，每个消费者将会分配到新的分区，而消费者对于新的分区应该从哪里进行起始消费，这时候提交的offset信息就起作用了，提交的offset信息包括消费者组所有分区的消费进度，这时候消费者可以根据消费进度继续消费，提交offset提交自动提交是最不具确定性的，所以要使用手动提交来控制offset
消费时出现几种异常情况
自动提交
- 重复消费：当数据已经被处理，然后自动提交offset时消费者出现故障或者有新消费者加入组导致再均衡，这时候offset提交失败，导致这批已经处理的数据的信息没有记录，后续会重复消费一次
- 丢失数据：如果业务处理时间较长一点，这时候数据处理业务还未完成，offset信息已经提交了，但是在后续处理数据过程中程序发生了崩溃，导致这批数据未正常消费，这时候offset已经提交，消费者后续将不在消费这批数据，导致这批数据将会丢失
手动提交
- 重复消费（最少一次消费语义实现）：消费数据处理业务完成后进行offset提交，可以保证数据最少一次消费，因为在提交offset的过程中可能出现提交失败的情况，导致数据重复消费
/**
* 手动提交offset
* 实现至少一次的消费语义 at least once
* 当手动提交位移失败，会重复消费数据
*/
@Test
public void testCommitOffset() {
String topic = "first-topic";
String group = "g1";
Properties props = new Properties();
props.put("bootstrap.servers", "node00:9092,node03:9092"); //required
props.put("group.id", group); //required
props.put("enable.auto.commit", "false"); // 关闭自动提交
props.put("auto.commit.interval.ms", "1000");
props.put("auto.offset.reset", "latest"); //从最早的消息开始读取
props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); //required
props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); //required
Consumer<String, String> consumer = new KafkaConsumer<>(props);
consumer.subscribe(Arrays.asList(topic)); //订阅topic
final int minBatchSize = 10;
// 缓存
List<ConsumerRecord<String, String>> buffer = new ArrayList<>(minBatchSize);
try {
while (true) {
ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
records.forEach(buffer::add);
// 缓存满了才对数据进行处理
if (buffer.size() >= minBatchSize) {
// 业务逻辑--插入数据库
// insertIntoDb(buffer);
// 等数据插入数据库之后，再异步提交位移
// 通过异步的方式提交位移
consumer.commitAsync(((offsets, exception) -> {
if (exception == null) {
offsets.forEach((topicPartition, metadata) -> {
System.out.println(topicPartition + " -> offset=" + metadata.offset());
});
} else {
exception.printStackTrace();
// 如果出错了，同步提交位移
consumer.commitSync(offsets);
}
}));
// 如果提交位移失败了，那么重启consumer后会重复消费之前的数据，再次插入到数据库中
// 清空缓冲区
buffer.clear();
}
}
} finally {
consumer.close();
}
}
- 丢失数据（最多一次消费语义实现）：在消费数据业务处理前进行offset提交，可以保证最多一次消费，在后续数据业务处理程序出现故障，将导致数据丢失
代码实现
/**
* 实现最多一次语义
* 在消费前提交位移，当后续业务出现异常时，可能丢失数据
*/
@Test
public void testAtMostOnce() {
Properties props = new Properties();
props.put("enable.auto.commit", "false");
KafkaConsumer<String, String> kafkaConsumer = KafkaFactory.buildConsumer(props);
kafkaConsumer.subscribe(Arrays.asList("first-topic"));
try {
while (true) {
ConsumerRecords<String, String> records = kafkaConsumer.poll(500);
// 处理业务之前就提交位移
kafkaConsumer.commitAsync();
// 下面是业务逻辑
records.forEach(record -> {
System.out.println(record.value() + ", offset=" + record.offset());
});
}
} catch (Exception e) {
} finally {
kafkaConsumer.close();
}
}
精确一次消费实现
从kafka的消费机制，我们可以得到是否能够精确的消费关键在消费进度信息的准确性，如果能够保证消费进度的准确性，也就保证了消费数据的准确性
- 数据有状态：可以根据数据信息进行确认数据是否重复消费，这时候可以使用手动提交的最少一次消费语义实现，即使消费的数据有重复，可以通过状态进行数据去重，以达到幂等的效果
- 存储数据容器具备幂等性：在数据存入的容器具备天然的幂等（比如ElasticSearch的put操作具备幂等性，相同的数据多次执行Put操作和一次执行Put操作的结果是一致的），这样的场景也可以使用手动提交的最少一次消费语义实现，由存储数据端来进行数据去重
- 数据无状态，并且存储容器不具备幂等：这种场景需要自行控制offset的准确性，今天文章主要说明这种场景下的处理方式，这里数据不具备状态，存储使用关系型数据库，比如MySQL
这里简单说明一下实现思路
1) 利用consumer api的seek方法可以指定offset进行消费，在启动消费者时查询数据库中记录的offset信息，如果是第一次启动，那么数据库中将没有offset信息，需要进行消费的元数据插入，然后从offset=0开始消费
2) 关系型数据库具备事务的特性，当数据入库时，同时也将offset信息更新，借用关系型数据库事务的特性保证数据入库和修改offset记录这两个操作是在同一个事务中进行
3) 使用ConsumerRebalanceListener来完成在分配分区时和Relalance时作出相应的处理逻辑
4) 要弄清楚的是，我们在消费的时候，关闭了自动提交，我们也没有通过consumer.commitAsync()手动提交我们的位移信息，而是在每次启动一个新的consumer的时候，触发rebalance时，读取数据库中的位移信息，从该位移中开始读取partition的信息（初始化的时候为0），在没有出现异常的情况下，我们的consumer会不断从producer读取信息，这个位移是最新的那个消息位移，而且会同时把这个位移更新到数据库中，但是，当出现了rebalance时，那么consumer就会从数据库中读取开始的位移。
表设计
create table kafka_info(
topic_group_partition varchar(32) primary key, //主题+组名+分区号 这里冗余设计方便通过这个主键进行更新提升效率
topic_group varchar(30), //主题和组名
partition_num tinyint,//分区号
offsets bigint default 0 //offset信息
);
代码
/**
* @Description: 实现Kafka的精确一次消费
* @author: HuangYn
* @date: 2019/10/15 21:10
*/
public class ExactlyOnceConsume {
private final KafkaConsumer<String, String> consumer;
private Map<TopicPartition, Long> tpOffsetMap;
private List<ConsumerRecord> list;
private JDBCHelper jdbcHelper = JDBCHelper.getInstance();
private String groupId;
private String topic;
public ExactlyOnceConsume(Properties props, String topic, String groupId) {
this.consumer = KafkaFactory.buildConsumer(props);
this.list = new ArrayList<>(100);
this.tpOffsetMap = new HashMap<>();
this.groupId = groupId;
this.topic = topic;
this.consumer.subscribe(Arrays.asList(this.topic), new HandleRebalance());
}
public void receiveMsg() {
try {
while (true) {
ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(1000);
if (!records.isEmpty()) {
// 处理每个partition的记录
records.partitions().forEach(tp -> {
List<ConsumerRecord<String, String>> tpRecords = records.records(tp);
// 记录加到缓存中
tpRecords.forEach(record -> {
System.out.println("partition=" + record.partition() +
", offset= " + record.offset() +
", value=" + record.value());
list.add(record);
});
// 将partition对应的offset加到map中, 获取partition中最后一个元素的offset，
// +1 就是下一次读取的位移，就是本次需要提交的位移
tpOffsetMap.put(tp, tpRecords.get(tpRecords.size() - 1).offset() + 1);
});
}
// 缓存中有数据
if (!list.isEmpty()) {
// 将数据插入数据库，并且将位移信息也插入数据库
// 因此，每次读取到数据，都要更新本consumer在数据库中的位移信息
boolean success = insertIntoDB(list, tpOffsetMap);
if (success) {
list.clear();
tpOffsetMap.clear();
}
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
consumer.close();
}
}
private boolean insertIntoDB(List<ConsumerRecord> list,
Map<TopicPartition, Long> tpOffsetMap) {
// 这里应该是在同一个事务中进行的
// 为了方便就省略了
try {
// TODO 将数据入库，这里省略了
// 将partition位移更新
String sql = "UPDATE kafka_info SET offsets = ? WHERE topic_group_partition = ?";
List<Object[]> params = new ArrayList<>(tpOffsetMap.size());
tpOffsetMap.forEach((tp, offset) -> {
Object[] param = new Object[]{offset, topic + "_" + groupId + "_" + tp.partition()};
params.add(param);
});
jdbcHelper.batchExecute(sql, params);
return true;
} catch (Exception e) {
// 回滚事务
}
}
/**
* rebalance触发的处理器
*/
private class HandleRebalance implements ConsumerRebalanceListener {
// rebalance之前触发
@Override
public void onPartitionsRevoked(Collection<TopicPartition> partitions) {
//发生Rebalance时,只需要将list中数据和记录offset信息清空即可
//这里为什么要清除数据,应为在Rebalance的时候有可能还有一批缓存数据在内存中没有进行入库，
//并且offset信息也没有更新,如果不清除,那么下一次还会重新poll一次这些数据,将会导致数据重复
System.out.println("==== onPartitionsRevoked ===== ");
list.clear();
tpOffsetMap.clear();
}
// rebalance后调用,consumer抓取数据之前触发
@Override
public void onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {
System.out.println("== onPartitionsAssigned ==");
List<PartitionInfo> partitionInfos = consumer.partitionsFor(topic);
// 从数据库读取当前partition的信息
Map<TopicPartition, Long> partitionOffsetMapFromDB = getPartitionOffsetMapFromDB(partitionInfos.size());
// 在分配分区时指定消费位置
for (TopicPartition partition : partitions) {
// 指定consumer在每个partition上的消费开始位置
// 如果在数据库中有对应partition的信息则使用，否则将默认从offset=0开始消费
if (partitionOffsetMapFromDB.get(partition) != null) {
consumer.seek(partition, partitionOffsetMapFromDB.get(partition));
} else {
consumer.seek(partition, 0L);
}
}
}
}
/**
* 从数据库读取offset信息
*
* @param size
* @return
*/
private Map<TopicPartition, Long> getPartitionOffsetMapFromDB(int size) {
Map<TopicPartition, Long> partitionOffsetMapFromDB = new HashMap<>();
String sql = "SELECT partition_num, offsets FROM kafka_info WHERE topic_group = ?";
jdbcHelper.executeQuery(sql, new Object[]{topic + "_" + groupId}, resultSet -> {
int partition_num = -1;
long offsets = -1;
while (resultSet.next()) {
partition_num = resultSet.getInt("partition_num");
offsets = resultSet.getLong("offsets");
System.out.println("partition_num=" + partition_num + ", offset=" + offsets);
partitionOffsetMapFromDB.put(new TopicPartition(topic, partition_num), offsets);
}
System.out.println("partitionOffsetMapFromDB.size = " + partitionOffsetMapFromDB.size());
//判断数据库是否存在所有的分区的信息,如果没有,则需要进行初始化
if (partitionOffsetMapFromDB.size() < size) {
String insert = "INSERT INTO kafka_info (topic_group_partition,topic_group,partition_num) VALUES(?,?,?)";
List<Object[]> params = new ArrayList<>();
for (int p_num = 0; p_num < size; p_num++) {
Object[] param = new Object[]{
topic + "_" + groupId + "_" + p_num,
topic + "_" + groupId,
p_num
};
params.add(param);
}
jdbcHelper.batchExecute(insert, params);
}
});
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return partitionOffsetMapFromDB;
}
}
另外一位大神的实现：
package com.huawei.kafka.consumer;
import com.alibaba.fastjson.JSON;
import org.apache.kafka.clients.consumer.*;
import org.apache.kafka.common.PartitionInfo;
import org.apache.kafka.common.TopicPartition;
import java.sql.Connection;
import java.sql.PreparedStatement;
import java.sql.ResultSet;
import java.sql.SQLException;
import java.time.Duration;
import java.util.*;
/**
* @author: xuqiangnj@163.com
* @date: 2019/5/3 14:36
* @description:精确一次消费实现
*/
public class AccurateConsumer {
private static final Properties props = new Properties();
private static final String GROUP_ID = "Test";
static {
props.put("bootstrap.servers", "192.168.142.139:9092");
props.put("group.id", GROUP_ID);
props.put("enable.auto.commit", false);//注意这里设置为手动提交方式
props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
}
final KafkaConsumer<String, String> consumer;
//用于记录每次消费时每个partition的最新offset
private Map<TopicPartition, Long> partitionOffsetMap;
//用于缓存接受消息,然后进行批量入库
private List<Message> list;
private volatile boolean isRunning = true;
private final String topicName;
private final String topicNameAndGroupId;
public AccurateConsumer(String topicName) {
this.topicName = topicName;
topicNameAndGroupId = topicName + "_" + GROUP_ID;
consumer = new KafkaConsumer<>(props);
consumer.subscribe(Arrays.asList(topicName), new HandleRebalance());
list = new ArrayList<>(100);
partitionOffsetMap = new HashMap<>();
}
//这里使用异步提交和同步提交的组合方式
public void receiveMsg() {
try {
while (isRunning) {
ConsumerRecords<String, String> consumerRecords = consumer.poll(Duration.ofSeconds(1));
if (!consumerRecords.isEmpty()) {
for (TopicPartition topicPartition : consumerRecords.partitions()) {
List<ConsumerRecord<String, String>> records = consumerRecords.records(topicPartition);
for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
//使用fastjson将记录中的值转换为Message对象,并添加到list中
list.addAll(JSON.parseArray(record.value(), Message.class));
}
//将partition对应的offset信息添加到map中,入库时将offset-partition信息一起进行入库
partitionOffsetMap.put(topicPartition, records.get(records.size() - 1)
.offset() + 1);//记住这里一定要加1,因为下次消费的位置就是从+1的位置开始
}
}
//如果list中存在有数据,则进行入库操作
if (list.size() > 0) {
boolean isSuccess = insertIntoDB(list, partitionOffsetMap);
if (isSuccess) {
//将缓存数据清空,并将offset信息清空
list.clear();
partitionOffsetMap.clear();
}
}
}
} catch (Exception e) {
//处理异常
} finally {
//offset信息由我们自己保存,提交offset其实没有什么必要
//consumer.commitSync();
close();
}
}
private boolean insertIntoDB(List<Message> list, Map<TopicPartition, Long> partitionOffsetMap) {
Connection connection = getConnection();//获取数据库连接 自行实现
boolean flag = false;
try {
//设置手动提交,让插入数据和更新offset信息在一个事务中完成
connection.setAutoCommit(false);
insertMessage(list);//将数据进行入库 自行实现
updateOffset(partitionOffsetMap);//更新offset信息 自行实现
connection.commit();
flag = true;
} catch (SQLException e) {
try {
//出现异常则回滚事务
connection.rollback();
} catch (SQLException e1) {
//处理异常
}
}
return flag;
}
//获取数据库连接 自行实现
private Connection getConnection() {
return null;
}
public void close() {
isRunning = false;
if (consumer != null) {
consumer.close();
}
}
private class HandleRebalance implements ConsumerRebalanceListener {
@Override
public void onPartitionsRevoked(Collection<TopicPartition> partitions) {
//发生Rebalance时,只需要将list中数据和记录offset信息清空即可
//这里为什么要清除数据,应为在Rebalance的时候有可能还有一批缓存数据在内存中没有进行入库，
//并且offset信息也没有更新,如果不清除,那么下一次还会重新poll一次这些数据,将会导致数据重复
list.clear();
partitionOffsetMap.clear();
}
@Override
public void onPartitionsAssigned(Collection<TopicPartition> partitions) {
//获取对应Topic的分区数
List<PartitionInfo> partitionInfos = consumer.partitionsFor(topicName);
Map<TopicPartition, Long> partitionOffsetMapFromDB = getPartitionOffsetMapFromDB
(partitionInfos.size());
//在分配分区时指定消费位置
for (TopicPartition partition : partitions) {
//如果在数据库中有对应partition的信息则使用，否则将默认从offset=0开始消费
if (partitionOffsetMapFromDB.get(partition) != null) {
consumer.seek(partition, partitionOffsetMapFromDB.get(partition));
} else {
consumer.seek(partition, 0L);
}
}
}
}
/**
* 从数据库中查询分区和offset信息
* @param size 分区数量
* @return 分区号和offset信息
*/
private Map<TopicPartition, Long> getPartitionOffsetMapFromDB(int size) {
Map<TopicPartition, Long> partitionOffsetMapFromDB = new HashMap<>();
//从数据库中查询出对应信息
Connection connection = getConnection();//获取数据库连接 自行实现
PreparedStatement preparedStatement = null;
ResultSet resultSet = null;
String querySql = "SELECT partition_num,offsets from kafka_info WHERE topic_group = ?";
try {
preparedStatement = connection.prepareStatement(querySql);
preparedStatement.setString(1, topicNameAndGroupId);
resultSet = preparedStatement.executeQuery();
while (resultSet.next()) {
partitionOffsetMapFromDB.put(new TopicPartition(topicName, resultSet.getInt(1)),
resultSet.getLong(2));
}
//判断数据库是否存在所有的分区的信息,如果没有,则需要进行初始化
if (partitionOffsetMapFromDB.size() < size) {
connection.setAutoCommit(false);
StringBuilder sqlBuilder = new StringBuilder();
//partition分区号是从0开始,如果有10个分区,那么分区号就是0-9
/*这里拼接插入数据 格式 INSERT INTO kafka_info(topic_group_partition,topic_group,partition_num) VALUES
(topicNameAndGroupId_0,topicNameAndGroupId,0),(topicNameAndGroupId_1, topicNameAndGroupId,1)....*/
for (int i = 0; i < size; i++) {
sqlBuilder.append("(").append
(topicNameAndGroupId).append("_").append(i).append(",").append
(topicNameAndGroupId).append(",").append(i).append("),");
}
//将最后一个逗号去掉加上分号结束
sqlBuilder.deleteCharAt(sqlBuilder.length() - 1).append(";");
preparedStatement = connection.prepareStatement("INSERT INTO kafa_info" +
"(topic_group_partition,topic_group,partition_num) VALUES " + sqlBuilder.toString());
preparedStatement.execute();
connection.commit();
}
} catch (SQLException e) {
//处理异常 回滚事务 这里应该结束程序 排查错误
try {
connection.rollback();
} catch (SQLException e1) {
//打印日志 排查错误信息
}
} finally {
try {
if (resultSet != null) {
resultSet.close();
}
if (preparedStatement != null) {
preparedStatement.close();
}
if (connection != null) {
connection.close();
}
} catch (SQLException e) {
//处理异常 打印日志即可 关闭资源失败
}
}
return partitionOffsetMapFromDB;
}
}
数据库中记录
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