kafka集群消息格式之V0版本到V2版本的平滑过渡详解-kafka 商业环境实战

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1 Kafka 消息格式变迁（沧海桑田）

从0.8.x版本开始到现在的1.1.x版本，Kafka的消息格式也经历了3个版本。每次版本的改变，都预示着新的优化。那么Broker作为Kafka服务载体，承担了消息协议的响应和接收。

• 持久化消息。
• 把消息从发送端过渡到消费端。

2 JVM消息重排机制（Java对象的繁重之躯）

• Java内存模型保存对象的开销很大，甚至可能需要花费比消息大两倍的空间来保存数据。为了降低这种开销，JMM（Java Memory Model）会对用户自定义的类进行字段重排。
• 垃圾回收随着堆上数据的扩张，会从整体上拖累应用程序的吞吐量。
• JMM要求对象必须按照8字节对齐，未对齐的部分会填充空白字符进行补齐padding。

• 对齐填充计算方法： HotSpot 的对齐方式为 8 字节对齐，不足的需要 Padding 填充对齐， 公式：

  （对象头 + 实例数据 + padding）% 8 == 0 （0<= padding <8）
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• 对一个 java 对象，至少需要16字节对象头部（对于64位JVM对象通常由8字节的Word组成）。

3 Kafka 轻装上阵对象存储

• kafka采用Java NIO的ByteBuffer来保存消息，同时依赖文件系统提供的页缓存机制，不再依赖java的堆缓存。悖论：写文件系统时，如果java的堆缓存保存一份对象，那么页缓存还会保存一份，何必呢？
• ByteBuffer是紧凑的二进制字节结构，不需要padding，因此可以省去很多不必要的内存开销。
• 在一个64G内存的机器上，kafka可以使用内存到58-62GB之间，不用担心Java GC 。
• ByteBuffer可以节省大量空间，相比于java的堆缓存方案。

4 V0（消息元祖）=> 14字节+12（LOG_OVERHEAD）

• 版本号: V0版本magic=0，V1版本magic=1,V2版本magic=2

• 属性：消息压缩类型。目前仅支持3种压缩方法。

  0X00 未启动压缩 0x01 GZIP  0x02 Snappy  0x03 LZ4
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• 注意key长度字段和value长度字段是固定的，没有也占用4个字节，来存 -1

• 除了key值和value值外，可以统称为是消息头部信息(header)，总共占用14字节。

  假设：存在Key值 为key , value值为 value  （一个字符一个字节，共8个字节）
    
    则 header 14 字节 + 值 8字节 = 22字节
    
    当key为空时，则占用 19字节
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• 日志头部（LOG_OVERHEAD）：每个Record（v0和v1版）必定对应一个offset和message size。每条消息都一个offset用来标志它在partition中的偏移量，这个offset是逻辑值，而非实际物理偏移值，message size表示消息的大小，这两者的一起被称之为日志头部（LOG_OVERHEAD），固定为12B

4.1 V0集合（被V2Batch取代）

总结：一条消息必定包含LOG_OVERHEAD和消息体两部分。最小占用12B+14B=26B，在不包含key值和Value值的情况下。

若key =key , value=value 则占用26(纯格式)+8（值空间）=34B

首先创建一个partition数和副本数都为1的topic，名称为“msg_format_v0”，
   然后往msg_format_v0中发送一条key=”key”，value=”value”的消息，之后查看对应的日志：

    -rw-r--r-- 1 root root       34 Apr 26 02:52 00000000000000000000.log
    
    再次插入一条key=null, value=”value”的消息：
    -rw-r--r-- 1 root root       65 Apr 26 02:56 00000000000000000000.log
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总结：发送每一条消息必须携带12字节LOG_OVERHEAD，是分散的消息格式设计，没有体现集合的味道。

5 V1（消息戳进阶）=> 22字节+12（LOG_OVERHEAD）

• kafka从0.10.0版本开始到0.11.0版本之前所使用的消息格式版本为v1，其比v0版本就多了一个timestamp字段，表示消息的时间戳

• 因此像v0版本介绍的一样发送一条key=”key”，value=”value”的消息，那么此条消息在v1版本中会占用42B

举例如下： 发送第一条key=”key”，value=”value”的消息，则占用22+12+8=42B 发送第二条key=null，value=”value”的消息，，则占用12+22+5=39B

合在一起发则为：42+39=81B

5.1 V1集合（被V2Batch取代）

总结：发送每一条消息必须携带12字节LOG_OVERHEAD，是分散的消息格式设计，没有体现集合的味道。

6 V2(变长整型与ZigZag) => 7个字节+ 值key+ 值value =15字节

• kafka从0.11.0版本开始所使用的消息格式版本为v2，这个版本的消息相比于v0和v1的版本而言改动很大，同时还参考了Protocol Buffer而引入了变长整型（Varints）和ZigZag编码。

• Varints是使用一个或多个字节来序列化整数的一种方法，数值越小，其所占用的字节数就越少。ZigZag编码以一种锯齿形（zig-zags）的方式来回穿梭于正负整数之间，以使得带符号整数映射为无符号整数，这样可以使得绝对值较小的负数仍然享有较小的Varints编码值，比如-1编码为1，1编码为2，-2编码为3。

• zig-zags 会固定的将每一个字节的第一位留作特殊用途，表明该字节是否是最后一个字节，若最高位是1，表示编码尚未结束。因此实际上也仅有7位用于实际的编码，即0-127。另外考虑 -1 ，1， -2， 2 对应 1，2， 3， 4。因此，0-63之间的数字占1个字节，64-8191之间的数字占2个字节，8192-1048575之间的数字占3个字节。kafka broker的配置message.max.bytes的默认大小为1000012（Varints编码占3个字节）。

• 注意的是Varints并非一直会省空间，一个int32最长会占用5个字节（大于默认的4字节），一个int64最长会占用10字节（大于默认的8字节）

总结 ：v2版本的消息格式去掉了crc字段，另外增加了length（消息总长度）、timestamp delta（时间戳增量）、offset delta（位移增量）和headers信息，并且attributes被弃用。

6.1 V2 Record Batch => 61字节+7字节(纯格式)+ 值key+ 值value =76字节

v2版本对于消息集（RecordBatch）做了彻底的修改，总共占用了61个字节，比如:把crc校验放在了Batch这一层，幂等性引入，使用PID标识。epoch引入，标识当前版本。看似增大了消息的容量大小，从大规模消息来算的话，却带来了质的飞跃，因为一条纯消息格式仅占用7字节了，而V1占用22字节，V0占用14字节。

first offset：表示当前RecordBatch的起始位移。
length：计算partition leader epoch到headers之间的长度。
partition leader epoch：用来确保数据可靠性，详细可以参考KIP-101
magic：消息格式的版本号，对于v2版本而言，magic等于2。
attributes：消息属性，注意这里占用了两个字节。低3位表示压缩格式，可以参考v0和v1；第4位表示时间戳类型；第5位表示此RecordBatch是否处于事务中，0表示非事务，1表示事务。第6位表示是否是Control消息，0表示非Control消息，而1表示是Control消息，Control消息用来支持事务功能。
last offset delta：RecordBatch中最后一个Record的offset与first offset的差值。主要被broker用来确认RecordBatch中Records的组装正确性。
first timestamp：RecordBatch中第一条Record的时间戳。
max timestamp：RecordBatch中最大的时间戳，一般情况下是指最后一个Record的时间戳，和last offset delta的作用一样，用来确保消息组装的正确性。
producer id：用来支持幂等性，详细可以参考KIP-98。
producer epoch：和producer id一样，用来支持幂等性。
first sequence：和producer id、producer epoch一样，用来支持幂等性。
records count：RecordBatch中Record的个数。
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