消息中间件ActiveMQ与Kafka对比之Kafka

由于消息中间件这块产品非常多，现在只挑选两个我使用过的产品结合使用经验做一些研究，他们是ActiveMQ和Kafka。ActiveMQ 是Apache出品，最流行的、功能强大的即时通讯和集成模式的开源服务器。ActiveMQ 是一个完全支持JMS1.1和J2EE 1.4规范的 JMS Provider实现，提供客户端支持跨语言和协议，带有易于在充分支持JMS 1.1和1.4使用J2EE企业集成模式和许多先进的功能。Kafka看上去有一些“野路子”，并没有纠结于JMS规范，剑走偏锋的设计了另一套吞吐非常高的分布式发布-订阅消息系统，目前非常流行，Kafka is a distributed,partitioned,replicated commit logservice。它提供了类似于JMS的特性，但是在设计实现上完全不同，此外它并不是JMS规范的实现。kafka对消息保存时根据Topic进行归类，发送消息者成为Producer,消息接受者成为Consumer,此外kafka集群有多个kafka实例组成，每个实例(server)成为broker。无论是kafka集群，还是producer和consumer都依赖于zookeeper来保证系统可用性集群保存一些meta信息。接下来我们结合三个点（消息安全性，服务器的稳定性容错性以及吞吐量）来分别谈谈这两个消息中间件。今天我们谈Kafka，ActiveMQ的文章在此。

性能怪兽Kafka

Kafka是LinkedIn开源的分布式发布-订阅消息系统，目前归属于Apache定级项目。”Apache Kafka is publish-subscribe messaging rethought as a distributed commit log.”，官网首页的一句话高度概括其职责。Kafka并没有遵守JMS规范，他只用文件系统来管理消息的生命周期。Kafka的设计目标是：

（1）以时间复杂度为O(1)的方式提供消息持久化能力，即使对TB级以上数据也能保证常数时间复杂度的访问性能。

（2）高吞吐率。即使在非常廉价的商用机器上也能做到单机支持每秒100K条以上消息的传输。

（3）支持Kafka Server间的消息分区，及分布式消费，同时保证每个Partition内的消息顺序传输。

（4）同时支持离线数据处理和实时数据处理。

（5）Scale out：支持在线水平扩展。

所以，不像AMQ，Kafka从设计开始极为高可用为目的，天然HA。broker支持集群，消息亦支持负载均衡，还有副本机制。同样，Kafka也是使用Zookeeper管理集群节点信息，包括consumer的消费信息也是保存在zk中，下面我们分话题来谈：

1）消息的安全性

Kafka集群中的Leader负责某一topic的某一partition的消息的读写，理论上consumer和producer只与该Leader节点打交道，一个集群里的某一broker即是Leader的同时也可以担当某一partition的follower，即Replica。Kafka分配Replica的算法如下：

（1）将所有Broker（假设共n个Broker）和待分配的Partition排序

（2）将第i个Partition分配到第（i mod n）个Broker上

（3）将第i个Partition的第j个Replica分配到第（(i + j) mode n）个Broker上

同时，Kafka与Replica既非同步也不是严格意义上的异步。一个典型的Kafka发送-消费消息的过程如下：首先首先Producer消息发送给某Topic的某Partition的Leader，Leader先是将消息写入本地Log，同时follower（如果落后过多将会被踢出出Replica列表）从Leader上pull消息，并且在未写入log的同时即向Leader发送ACK的反馈，所以对于某一条已经算作commit的消息来讲，在某一时刻，其存在于Leader的log中，以及Replica的内存中。这可以算作一个危险的情况（听起来吓人），因为如果此时集群挂了这条消息就算丢失了，但结合producer的属性（request.required.acks=2 当所有follower都收到消息后返回ack）可以保证在绝大多数情况下消息的安全性。当消息算作commit的时候才会暴露给consumer，并保证at-least-once的投递原则。

2）服务的稳定容错性

前面提到过，Kafka天然支持HA，整个leader/follower机制通过zookeeper调度，它在所有broker中选出一个controller，所有Partition的Leader选举都由controller决定，同时controller也负责增删Topic以及Replica的重新分配。如果Leader挂了，集群将在ISR（in-sync replicas）中选出新的Leader，选举基本原则是：新的Leader必须拥有原来的Leader commit过的所有消息。假如所有的follower都挂了，Kafka会选择第一个“活”过来的Replica（不一定是ISR中的）作为Leader，因为如果此时等待ISR中的Replica是有风险的，假如所有的ISR都无法“活”，那此partition将会变成不可用。

3） 吞吐量

Leader节点负责某一topic（可以分成多个partition）的某一partition的消息的读写，任何发布到此partition的消息都会被直接追加到log文件的尾部，因为每条消息都被append到该partition中，是顺序写磁盘，因此效率非常高（经验证，顺序写磁盘效率比随机写内存还要高，这是Kafka高吞吐率的一个很重要的保证），同时通过合理的partition，消息可以均匀的分布在不同的partition里面。Kafka基于时间或者partition的大小来删除消息，同时broker是无状态的，consumer的消费状态(offset)是由consumer自己控制的（每一个consumer实例只会消费某一个或多个特定partition的数据，而某个partition的数据只会被某一个特定的consumer实例所消费），也不需要broker通过锁机制去控制消息的消费，所以吞吐量惊人，这也是Kafka吸引人的地方。

最后说下由于zookeeper引起的脑裂（Split Brain）问题：每个consumer分别单独通过Zookeeper判断哪些partition down了，那么不同consumer从Zookeeper“看”到的view就可能不一样，这就会造成错误的reblance尝试。而且有可能所有的consumer都认为rebalance已经完成了，但实际上可能并非如此。


参考资料：

http://kafka.apache.org

http://www.jasongj.com/2015/03/10/KafkaColumn1/

http://www.jasongj.com/2015/04/24/KafkaColumn2/

https://github.com/alibaba/RocketMQ

http://blog.csdn.net/damacheng/article/details/42846549