Kafka 的消息是保存或緩存在磁盤上的，一般認(rèn)為在磁盤上讀寫數(shù)據(jù)是會降低性能的，因為尋址會比較消耗時間，但是實際上，Kafka 的特性之一就是高吞吐率。

即使是普通的服務(wù)器，Kafka 也可以輕松支持每秒***的寫入請求，超過了大部分的消息中間件，這種特性也使得 Kafka 在日志處理等海量數(shù)據(jù)場景廣泛應(yīng)用。

針對 Kafka 的基準(zhǔn)測試可以參考 Apache Kafka 基準(zhǔn)測試(可點擊閱讀原文查看)《每秒寫入 2 百萬(在三臺廉價機(jī)器上)》：

http://ifeve.com/benchmarking-apache-kafka-2-million-writes-second-three-cheap-machines/ 

下面從數(shù)據(jù)寫入和讀取兩方面分析，為什么 Kafka 速度這么快。

數(shù)據(jù)寫入

Kafka 會把收到的消息都寫入到硬盤中，它絕對不會丟失數(shù)據(jù)。為了優(yōu)化寫入速度 Kafka 采用了兩個技術(shù)， 順序?qū)懭牒?MMFile(Memory Mapped File)。

順序?qū)懭?/span>

磁盤讀寫的快慢取決于你怎么使用它，也就是順序讀寫或者隨機(jī)讀寫。在順序讀寫的情況下，磁盤的順序讀寫速度和內(nèi)存持平。

因為硬盤是機(jī)械結(jié)構(gòu)，每次讀寫都會尋址->寫入，其中尋址是一個“機(jī)械動作”，它是最耗時的。

所以硬盤最討厭隨機(jī) I/O，最喜歡順序 I/O。為了提高讀寫硬盤的速度，Kafka 就是使用順序 I/O。

而且 Linux 對于磁盤的讀寫優(yōu)化也比較多，包括 read-ahead 和 write-behind，磁盤緩存等。

如果在內(nèi)存做這些操作的時候，一個是 Java 對象的內(nèi)存開銷很大，另一個是隨著堆內(nèi)存數(shù)據(jù)的增多，Java 的 GC 時間會變得很長。

使用磁盤操作有以下幾個好處：

• 磁盤順序讀寫速度超過內(nèi)存隨機(jī)讀寫。
• JVM 的 GC 效率低，內(nèi)存占用大。使用磁盤可以避免這一問題。
• 系統(tǒng)冷啟動后，磁盤緩存依然可用。

下圖就展示了 Kafka 是如何寫入數(shù)據(jù)的， 每一個 Partition 其實都是一個文件 ，收到消息后 Kafka 會把數(shù)據(jù)插入到文件末尾(虛框部分)：

這種方法有一個缺陷——沒有辦法刪除數(shù)據(jù) ，所以 Kafka 是不會刪除數(shù)據(jù)的，它會把所有的數(shù)據(jù)都保留下來，每個消費者(Consumer)對每個 Topic 都有一個 Offset 用來表示讀取到了第幾條數(shù)據(jù) 。

兩個消費者：

• Consumer1 有兩個 Offset 分別對應(yīng) Partition0、Partition1(假設(shè)每一個 Topic 一個 Partition)。
• Consumer2 有一個 Offset 對應(yīng) Partition2。

這個 Offset 是由客戶端 SDK 負(fù)責(zé)保存的，Kafka 的 Broker 完全無視這個東西的存在。

一般情況下 SDK 會把它保存到 Zookeeper 里面，所以需要給 Consumer 提供 Zookeeper 的地址。

如果不刪除硬盤肯定會被撐滿，所以 Kakfa 提供了兩種策略來刪除數(shù)據(jù)：

• 基于時間
• 基于 Partition 文件大小

具體配置可以參看它的配置文檔。

Memory Mapped Files

即便是順序?qū)懭胗脖P，硬盤的訪問速度還是不可能追上內(nèi)存。所以 Kafka 的數(shù)據(jù)并不是實時的寫入硬盤 ，它充分利用了現(xiàn)代操作系統(tǒng)分頁存儲來利用內(nèi)存提高 I/O 效率。

Memory Mapped Files(后面簡稱 mmap)也被翻譯成內(nèi)存映射文件 ，在 64 位操作系統(tǒng)中一般可以表示 20G 的數(shù)據(jù)文件，它的工作原理是直接利用操作系統(tǒng)的 Page 來實現(xiàn)文件到物理內(nèi)存的直接映射。

完成映射之后你對物理內(nèi)存的操作會被同步到硬盤上(操作系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r候)。

通過 mmap，進(jìn)程像讀寫硬盤一樣讀寫內(nèi)存(當(dāng)然是虛擬機(jī)內(nèi)存)，也不必關(guān)心內(nèi)存的大小，有虛擬內(nèi)存為我們兜底。

使用這種方式可以獲取很大的 I/O 提升，省去了用戶空間到內(nèi)核空間復(fù)制的開銷。(調(diào)用文件的 Read 會把數(shù)據(jù)先放到內(nèi)核空間的內(nèi)存中，然后再復(fù)制到用戶空間的內(nèi)存中)

但也有一個很明顯的缺陷——不可靠，寫到 mmap 中的數(shù)據(jù)并沒有被真正的寫到硬盤，操作系統(tǒng)會在程序主動調(diào)用 Flush 的時候才把數(shù)據(jù)真正的寫到硬盤。

Kafka 提供了一個參數(shù) producer.type 來控制是不是主動 Flush：

• 如果 Kafka 寫入到 mmap 之后就立即 Flush，然后再返回 Producer 叫同步 (Sync)。
• 如果 Kafka 寫入 mmap 之后立即返回 Producer 不調(diào)用 Flush 叫異步 (Async)。

數(shù)據(jù)讀取

Kafka 在讀取磁盤時做了哪些優(yōu)化?

基于 Sendfile 實現(xiàn)Zero Copy

傳統(tǒng)模式下，當(dāng)需要對一個文件進(jìn)行傳輸?shù)臅r候，其具體流程細(xì)節(jié)如下：

• 調(diào)用 Read 函數(shù)，文件數(shù)據(jù)被 Copy 到內(nèi)核緩沖區(qū)。
• Read 函數(shù)返回，文件數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū) Copy 到用戶緩沖區(qū)
• Write 函數(shù)調(diào)用，將文件數(shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū) Copy 到內(nèi)核與 Socket 相關(guān)的緩沖區(qū)。
• 數(shù)據(jù)從 Socket 緩沖區(qū) Copy 到相關(guān)協(xié)議引擎。

以上細(xì)節(jié)是傳統(tǒng) Read/Write 方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)文件傳輸?shù)姆绞剑覀兛梢钥吹?，在這個過程當(dāng)中，文件數(shù)據(jù)實際上是經(jīng)過了四次 Copy 操作：

硬盤—>內(nèi)核 buf—>用戶 buf—>Socket 相關(guān)緩沖區(qū)—>協(xié)議引擎

而 Sendfile 系統(tǒng)調(diào)用則提供了一種減少以上多次 Copy，提升文件傳輸性能的方法。

在內(nèi)核版本 2.1 中，引入了 Sendfile 系統(tǒng)調(diào)用，以簡化網(wǎng)絡(luò)上和兩個本地文件之間的數(shù)據(jù)傳輸。

Sendfile 的引入不僅減少了數(shù)據(jù)復(fù)制，還減少了上下文切換。

sendfile(socket, file, len); 

運行流程如下：

• Sendfile 系統(tǒng)調(diào)用，文件數(shù)據(jù)被 Copy 至內(nèi)核緩沖區(qū)。
• 再從內(nèi)核緩沖區(qū) Copy 至內(nèi)核中 Socket 相關(guān)的緩沖區(qū)。
• ***再 Socket 相關(guān)的緩沖區(qū) Copy 到協(xié)議引擎。

相較傳統(tǒng) Read/Write 方式，2.1 版本內(nèi)核引進(jìn)的 Sendfile 已經(jīng)減少了內(nèi)核緩沖區(qū)到 User 緩沖區(qū)，再由 User 緩沖區(qū)到 Socket 相關(guān)緩沖區(qū)的文件 Copy。

而在內(nèi)核版本 2.4 之后，文件描述符結(jié)果被改變，Sendfile 實現(xiàn)了更簡單的方式，再次減少了一次 Copy 操作。

在 Apache、Nginx、Lighttpd 等 Web 服務(wù)器當(dāng)中，都有一項 Sendfile 相關(guān)的配置，使用 Sendfile 可以大幅提升文件傳輸性能。

Kafka 把所有的消息都存放在一個一個的文件中，當(dāng)消費者需要數(shù)據(jù)的時候 Kafka 直接把文件發(fā)送給消費者，配合 mmap 作為文件讀寫方式，直接把它傳給 Sendfile。

批量壓縮

在很多情況下，系統(tǒng)的瓶頸不是 CPU 或磁盤，而是網(wǎng)絡(luò) IO，對于需要在廣域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心之間發(fā)送消息的數(shù)據(jù)流水線尤其如此。

進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮會消耗少量的 CPU 資源，不過對于 Kafka 而言，網(wǎng)絡(luò) IO 更應(yīng)該考慮：

• 因為每個消息都壓縮，但是壓縮率相對很低，所以 Kafka 使用了批量壓縮，即將多個消息一起壓縮而不是單個消息壓縮。
• Kafka 允許使用遞歸的消息集合，批量的消息可以通過壓縮的形式傳輸并且在日志中也可以保持壓縮格式，直到被消費者解壓縮。
• Kafka 支持多種壓縮協(xié)議，包括 Gzip 和 Snappy 壓縮協(xié)議。

總結(jié)

Kafka 速度的秘訣在于，它把所有的消息都變成一個批量的文件，并且進(jìn)行合理的批量壓縮，減少網(wǎng)絡(luò) IO 損耗，通過 mmap 提高 I/O 速度。

寫入數(shù)據(jù)的時候由于單個 Partion 是末尾添加，所以速度***;讀取數(shù)據(jù)的時候配合 Sendfile 直接暴力輸出。