Kafka 核心技术与实战
客户端实践及原理剖析
09 | 生产者消息分区机制原理剖析
为什么分区？
Kafka 有主题（Topic）的概念，它是承载真实数据的逻辑容器，而在主题之下还分为若干个分区，也就是说 Kafka 的消息组织方式实际上是三级结构：主题 - 分区 - 消息。主题下的每条消息只会保存在某一个分区中，而不会在多个分区中被保存多份。官网上的这张图非常清晰地展示了 Kafka 的三级结构，如下所示：
分区的作用是提供负载均衡的能力，或者说对数据进行分区的主要原因，就是为了实现系统的高伸缩性（Scalability）。不同的分区能够被放置到不同节点的机器上，而数据的读写操作也都是针对分区这个粒度而进行的，这样每个节点的机器都能独立地执行各自分区的读写请求处理。并且，还可以通过添加新的节点机器来增加整体系统的吞吐量。
不同的分布式系统对分区的叫法不尽相同。比如在 Kafka 中叫分区，在 MongoDB 和 Elasticsearch 中就叫分片 Shard，而在 HBase 中则叫 Region，在 Cassandra 中又被称作 vnode。从表面看起来它们实现原理可能不尽相同，但对底层分区（Partitioning）的整体思想却从未改变。
除了提供负载均衡这种最核心的功能之外，利用分区也可以实现其他一些业务级别的需求，比如实现业务级别的消息顺序的问题。
都有哪些分区策略？
所谓分区策略是决定生产者将消息发送到哪个分区的算法。Kafka 提供了默认的分区策略，同时它也支持自定义分区策略。
如果要自定义分区策略，需要显式地配置生产者端的参数 partitioner.class。 在编写生产者程序时，编写一个具体的类实现 org.apache.kafka.clients.producer.Partitioner 接口，这个接口定义了两个方法：partition()和close()，通常只需要实现最重要的 partition 方法。
int partition(String topic, Object key, byte[] keyBytes, Object value,
byte[] valueBytes, Cluster cluster);
topic、key、keyBytes、value 和 valueBytes 都属于消息数据，cluster 则是集群信息（比如当前 Kafka 集群共有多少主题、多少 Broker 等）。
只要实现类定义好了 partition 方法，同时设置 partitioner.class 参数为实现类的 Full Qualified Name，那么生产者程序就会按照代码逻辑对消息进行分区。
轮询策略
也称 Round-robin 策略，即顺序分配。比如一个主题下有 3 个分区，那么第一条消息被发送到分区 0，第二条被发送到分区 1，第三条被发送到分区 2，以此类推。当生产第 4 条消息时又会重新开始，即将其分配到分区 0，如下图所示：
轮询策略是 Kafka Java 生产者 API 默认提供的分区策略。 如果未指定 partitioner.class 参数，那么生产者程序会按照轮询的方式在主题的所有分区间均匀地“码放”消息。
轮询策略有非常优秀的负载均衡表现，它总是能保证消息最大限度地被平均分配到所有分区上，故默认情况下它是最合理的分区策略，也是最常用的分区策略之一。
随机策略
也称 Randomness 策略。所谓随机就是随意地将消息放置到任意一个分区上，如下图所示：
如果要实现随机策略版的 partition 方法很简单，只需要两行代码即可：
// 先计算出该主题总的分区数，然后随机地返回一个小于它的正整数。
List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
return ThreadLocalRandom.current().nextInt(partitions.size());
本质上看随机策略也是力求将数据均匀地打散到各个分区，但从实际表现来看，它要逊于轮询策略，所以如果追求数据的均匀分布，还是使用轮询策略比较好。事实上，随机策略是老版本生产者使用的分区策略，在新版本中已经改为轮询了。
按消息键保序策略
也称 Key-ordering 策略。
Kafka 允许为每条消息定义消息键，简称为 Key。 这个 Key 的作用非常大，它可以是一个有着明确业务含义的字符串，比如客户代码、部门编号或是业务 ID 等；也可以用来表征消息元数据。特别是在 Kafka 不支持时间戳的年代，在一些场景中，工程师们都是直接将消息创建时间封装进 Key 里面的。一旦消息被定义了 Key，那么就可以保证同一个 Key 的所有消息都进入到相同的分区里面，由于每个分区下的消息处理都是有顺序的，故这个策略被称为按消息键保序策略，如下图所示：
实现这个策略的 partition 方法同样简单，只需要下面两行代码即可：
List<PartitionInfo> partitions = cluster.partitionsForTopic(topic);
return Math.abs(key.hashCode()) % partitions.size();
Kafka 默认分区策略实际上同时实现了两种策略：如果指定了 Key，那么默认实现按消息键保序策略；如果没有指定 Key，则使用轮询策略。
