概述

Kafka是大数据领域无处不在的消息中间件，目前广泛使用在企业内部的实时数据管道，并帮助企业构建自己的流计算应用程序。

Kafka虽然是基于磁盘做的数据存储，但却具有高性能、高吞吐、低延时的特点，其吞吐量动辄几万、几十上百万。

但是很多使用过Kafka的人,经常会被问到这样一个问题。Kafka为什么速度快,吞吐量大；大部分被问的人都是一下子就懵了，或者是只知道一些简单的点，本文就简单的介绍一下Kafka为什么吞吐量大，速度快。

顺序读写

众所周知Kafka是将消息记录持久化到本地磁盘中的，一般人会认为磁盘读写性能差，可能会对Kafka性能如何保证提出质疑。实际上不管是内存还是磁盘，快或慢关键在于寻址的方式，磁盘分为顺序读写与随机读写，内存也一样分为顺序读写与随机读写。基于磁盘的随机读写确实很慢，但磁盘的顺序读写性能却很高，一般而言要高出磁盘随机读写三个数量级，一些情况下磁盘顺序读写性能甚至要高于内存随机读写。

这里给出著名学术期刊 ACM Queue 上的性能对比图：

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磁盘的顺序读写是磁盘使用模式中最有规律的，并且操作系统也对这种模式做了大量优化，Kafka就是使用了磁盘顺序读写来提升的性能。Kafka的message是不断追加到本地磁盘文件末尾的，而不是随机的写入，这使得Kafka写入吞吐量得到了显著提升。

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上图就展示了Kafka是如何写入数据的，每一个Partition其实都是一个文件，收到消息后Kafka会把数据插入到文件末尾（虚框部分）。

这种方法有一个缺陷—— 没有办法删除数据，所以Kafka是不会删除数据的，它会把所有的数据都保留下来，每个消费者（Consumer）对每个Topic都有一个offset用来表示读取到了第几条数据。

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两个消费者，Consumer1有两个offset分别对应Partition0、Partition1（假设每一个Topic一个Partition）；Consumer2有一个offset对应Partition2。这个offset是由客户端SDK负责保存的，Kafka的Broker完全无视这个东西的存在；一般情况下SDK会把它保存到zookeeper里面。(所以需要给Consumer提供zookeeper的地址)。

如果不删除硬盘肯定会被撑满，所以Kakfa提供了两种策略来删除数据。一是基于时间，二是基于partition文件大小。具体配置可以参看它的配置文档。

Page Cache

为了优化读写性能，Kafka利用了操作系统本身的Page Cache，就是利用操作系统自身的内存而不是JVM空间内存。这样做的好处有：

避免Object消耗：如果是使用 Java 堆，Java对象的内存消耗比较大，通常是所存储数据的两倍甚至更多。
避免GC问题：随着JVM中数据不断增多，垃圾回收将会变得复杂与缓慢，使用系统缓存就不会存在GC问题

相比于使用JVM或in-memory cache等数据结构，利用操作系统的Page Cache更加简单可靠。

首先，操作系统层面的缓存利用率会更高，因为存储的都是紧凑的字节结构而不是独立的对象。

其次，操作系统本身也对于Page Cache做了大量优化，提供了 write-behind、read-ahead以及flush等多种机制。

再者，即使服务进程重启，系统缓存依然不会消失，避免了in-process cache重建缓存的过程。

通过操作系统的Page Cache，Kafka的读写操作基本上是基于内存的，读写速度得到了极大的提升。

零拷贝

linux操作系统 “零拷贝” 机制使用了sendfile方法，允许操作系统将数据从Page Cache 直接发送到网络，只需要最后一步的copy操作将数据复制到 NIC 缓冲区，这样避免重新复制数据。示意图如下：

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通过这种 “零拷贝” 的机制，Page Cache 结合 sendfile 方法，Kafka消费端的性能也大幅提升。这也是为什么有时候消费端在不断消费数据时，我们并没有看到磁盘io比较高，此刻正是操作系统缓存在提供数据。

当Kafka客户端从服务器读取数据时，如果不使用零拷贝技术，那么大致需要经历这样的一个过程：

操作系统将数据从磁盘上读入到内核空间的读缓冲区中。
应用程序（也就是Kafka）从内核空间的读缓冲区将数据拷贝到用户空间的缓冲区中。
应用程序将数据从用户空间的缓冲区再写回到内核空间的socket缓冲区中。
操作系统将socket缓冲区中的数据拷贝到NIC缓冲区中，然后通过网络发送给客户端。

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从图中可以看到，数据在内核空间和用户空间之间穿梭了两次，那么能否避免这个多余的过程呢？当然可以，Kafka使用了零拷贝技术，也就是直接将数据从内核空间的读缓冲区直接拷贝到内核空间的socket缓冲区，然后再写入到NIC缓冲区，避免了在内核空间和用户空间之间穿梭。

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可见，这里的零拷贝并非指一次拷贝都没有，而是避免了在内核空间和用户空间之间的拷贝。如果真是一次拷贝都没有，那么数据发给客户端就没了不是？不过，光是省下了这一步就可以带来性能上的极大提升。

分区分段+索引

Kafka的message是按topic分类存储的，topic中的数据又是按照一个一个的partition即分区存储到不同broker节点。每个partition对应了操作系统上的一个文件夹，partition实际上又是按照segment分段存储的。这也非常符合分布式系统分区分桶的设计思想。

通过这种分区分段的设计，Kafka的message消息实际上是分布式存储在一个一个小的segment中的，每次文件操作也是直接操作的segment。为了进一步的查询优化，Kafka又默认为分段后的数据文件建立了索引文件，就是文件系统上的.index文件。这种分区分段+索引的设计，不仅提升了数据读取的效率，同时也提高了数据操作的并行度。