深度好文! 图解Kafka Producer 内存池架构设计

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在阅读本文之前, 希望你可以思考一下下面几个问题, 带着问题去阅读文章会获得更好的效果。

  1. 发送消息的时候, 当Broker挂掉了,消息体还能写入到消息缓存中吗？
  2. 当消息还存储在缓存中的时候, 假如Producer客户端挂掉了,消息是不是就丢失了?
  3. 当最新的ProducerBatch还有空余的内存,但是接下来的一条消息很大,不足以加上上一个Batch中,会怎么办呢？
  4. 那么创建ProducerBatch的时候,应该分配多少的内存呢？

什么是消息累加器RecordAccumulator

kafka为了提高Producer客户端的发送吞吐量和提高性能,选择了将消息暂时缓存起来,等到满足一定的条件, 再进行批量发送, 这样可以减少网络请求,提高吞吐量。

而缓存这个消息的就是RecordAccumulator类.

上图就是整个消息存放的缓存模型,我们接下来一个个来讲解。

消息缓存模型

上图表示的就是 消息缓存的模型, 生产的消息就是暂时存放在这个里面。

  1. 每条消息,我们按照TopicPartition维度,把他们放在不同的Deque<ProducerBatch> 队列里面。TopicPartition相同,会在相同Deque<ProducerBatch> 的里面。
  2. ProducerBatch : 表示同一个批次的消息, 消息真正发送到Broker端的时候都是按照批次来发送的, 这个批次可能包含一条或者多条消息。
  3. 如果没有找到消息对应的ProducerBatch队列, 则创建一个队列。
  4. 找到ProducerBatch队列队尾的Batch,发现Batch还可以塞下这条消息,则将消息直接塞到这个Batch中
  5. 找到ProducerBatch队列队尾的Batch,发现Batch中剩余内存,不够塞下这条消息,则会创建新的Batch
  6. 当消息发送成功之后, Batch会被释放掉。

ProducerBatch的内存大小

❝那么创建ProducerBatch的时候,应该分配多少的内存呢？

先说结论: 当消息预估内存大于batch.size的时候,则按照消息预估内存创建, 否则按照batch.size的大小创建(默认16k).

我们来看一段代码，这段代码就是在创建ProducerBatch的时候预估内存的大小

RecordAccumulator#append

    /**
     * 公众号: 石臻臻的杂货铺
     * 微信：szzdzhp001
     **/
       // 找到 batch.size 和 这条消息在batch中的总内存大小的 最大值
       int size = Math.max(this.batchSize, AbstractRecords.estimateSizeInBytesUpperBound(maxUsableMagic, compression, key, value, headers));
       // 申请内存
       buffer = free.allocate(size, maxTimeToBlock);
  1. 假设当前生产了一条消息为M, 刚好消息M找不到可以存放消息的ProducerBatch(不存在或者满了)，那么这个时候就需要创建一个新的ProducerBatch了
  2. 预估消息的大小 跟batch.size 默认大小16384(16kb). 对比,取最大值用于申请的内存大小的值。

❝那么, 这个消息的预估是如何预估的？纯粹的是消息体的大小吗？

DefaultRecordBatch#estimateBatchSizeUpperBound

预估需要的Batch大小,是一个预估值,因为没有考虑压缩算法从额外开销

    /**
    * 使用给定的键和值获取只有一条记录的批次大小的上限。
    * 这只是一个估计，因为它没有考虑使用的压缩算法的额外开销。
    **/
    static int estimateBatchSizeUpperBound(ByteBuffer key, ByteBuffer value, Header[] headers) {
        return RECORD_BATCH_OVERHEAD + DefaultRecord.recordSizeUpperBound(key, value, headers);
    }
  1. 预估这个消息M的大小 + 一个RECORD_BATCH_OVERHEAD的大小
  2. RECORD_BATCH_OVERHEAD是一个Batch里面的一些基本元信息,总共占用了 61B
  3. 消息M的大小也并不是单单的只有消息体的大小,总大小=(key,value,headers)的大小+MAX_RECORD_OVERHEAD
  4. MAX_RECORD_OVERHEAD ：一条消息头最大占用空间, 最大值为21B

也就是说创建一个ProducerBatch,最少就要83B .

比如我发送一条消息 " 1 " , 预估得到的大小是 86B, 跟batch.size(默认16384) 相比取最大值。那么申请内存的时候取最大值 16384 。

关于Batch的结构和消息的结构,我们回头单独用一篇文章来讲解。

内存分配

我们都知道RecordAccumulator里面的缓存大小是一开始定义好的, 由buffer.memory控制, 默认33554432 (32M)

当生产的速度大于发送速度的时候,就可能出现Producer写入阻塞。

而且频繁的创建和释放ProducerBatch,会导致频繁GC, 所有kafka中有个缓存池的概念，这个缓存池会被重复使用,但是只有固定( batch.size)的大小才能够使用缓存池。

PS：以下16k指得是 batch.size的默认值.

Batch的创建和释放

1. 内存16K 缓存池中有可用内存

①. 创建Batch的时候, 会去缓存池中,获取队首的一块内存ByteBuffer 使用。

②. 消息发送完成,释放Batch, 则会把这个ByteBuffer,放到缓存池的队尾中,并且调用ByteBuffer.clear 清空数据。以便下次重复使用

2. 内存16K 缓存池中无可用内存

①. 创建Batch的时候, 去非缓存池中的内存获取一部分内存用于创建Batch. 注意：这里说的获取内存给Batch, 其实就是让 非缓存池nonPooledAvailableMemory 减少 16K 的内存, 然后Batch正常创建就行了, 不要误以为好像真的发生了内存的转移。

②. 消息发送完成,释放Batch, 则会把这个ByteBuffer,放到缓存池的队尾中,并且调用ByteBuffer.clear 清空数据, 以便下次重复使用

3. 内存非16K 非缓存池中内存够用

①. 创建Batch的时候, 去非缓存池(nonPooledAvailableMemory)内存获取一部分内存用于创建Batch. 注意：这里说的获取内存给Batch, 其实就是让 非缓存池(nonPooledAvailableMemory) 减少对应的内存, 然后Batch正常创建就行了, 不要误以为好像真的发生了内存的转移。

②. 消息发送完成,释放Batch, 纯粹的是在非缓存池(nonPooledAvailableMemory)中加上刚刚释放的Batch内存大小。当然这个Batch会被GC掉

4. 内存非16K 非缓存池内存不够用

①. 先尝试将 缓存池中的内存一个一个释放到 非缓存池中, 直到非缓存池中的内存够用与创建Batch了

②. 创建Batch的时候, 去非缓存池(nonPooledAvailableMemory)内存获取一部分内存用于创建Batch. 注意：这里说的获取内存给Batch, 其实就是让 非缓存池(nonPooledAvailableMemory) 减少对应的内存, 然后Batch正常创建就行了, 不要误以为好像真的发生了内存的转移。

③. 消息发送完成,释放Batch, 纯粹的是在非缓存池(nonPooledAvailableMemory)中加上刚刚释放的Batch内存大小。当然这个Batch会被GC掉

例如: 下面我们需要创建 48k的batch, 因为超过了16k,所以需要在非缓存池中分配内存, 但是非缓存池中当前可用内存为0 , 分配不了, 这个时候就会尝试去 缓存池里面释放一部分内存到 非缓存池。

释放第一个ByteBuffer(16k) 不够，则继续释放第二个,直到释放了3个之后总共48k，发现内存这时候够了, 再去创建Batch。

注意：这里我们涉及到的 非缓存池中的内存分配, 仅仅指的的内存数字的增加和减少。

问题和答案

❝1. 发送消息的时候, 当Broker挂掉了,消息体还能写入到消息缓存中吗？

当Broker挂掉了,Producer会提示下面的警告⚠️, 但是发送消息过程中

这个消息体还是可以写入到 消息缓存中的,也仅仅是写到到缓存中而已。

 WARN [Producer clientId=console-producer] Connection to node 0 (/172.23.164.192:9090) could not be established. Broker may not be available

❝2. 当最新的ProducerBatch还有空余的内存,但是接下来的一条消息很大,不足以加上上一个Batch中,会怎么办呢？

那么会创建新的ProducerBatch。

❝3. 那么创建ProducerBatch的时候,应该分配多少的内存呢？

触发创建ProducerBatch的那条消息预估大小大于batch.size ，则以预估内存创建。否则,以batch.size创建。

还有一个问题供大家思考：

当消息还存储在缓存中的时候, 假如Producer客户端挂掉了,消息是不是就丢失了?

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