图解 Kafka 缓存架构

阅读本文大约需要 60 分钟。

大家好，我是 苏三, 又跟大家见面了。

上篇主要带大家深度剖析了「Kafka 网络层收发总流程」，今天主要聊聊 「Kafka 客户端消息缓存架构设计」，深度剖析下消息是如何进行缓存的。

认真读完这篇文章，我相信你会对 Kafka 客户端缓存架构的源码有更加深刻的理解。

这篇文章干货很多，希望你可以耐心读完。

01 总体概述

通过场景驱动的方式，当被发送消息通过网络请求封装、NIO多路复用器监听网络读写事件并进行消息网络收发后，回头来看看消息是如何在客户端缓存的？

大家都知道 Kafka 是一款超高吞吐量的消息系统，主要体现在「异步发送」、「批量发送」、「消息压缩」。

跟本篇相关的是「批量发送」即生产者会将消息缓存起来，等满足一定条件后，Sender 子线程再把消息批量发送给 Kafka Broker。

这样好处就是「尽量减少网络请求次数，提升网络吞吐量」。

为了方便大家理解，所有的源码只保留骨干。

02 消息如何在客户端缓存的

既然是批量发送，那么消息肯定要进行缓存的，那消息被缓存在哪里呢？又是如何管理的？

通过下面简化流程图可以看出，待发送消息主要被缓存在 RecordAccumulator 里。

我以一个真实生活场景类比解说一下会更好理解。

既然说 RecordAccumulator 像一个累积消息的仓库，就拿快递仓库类比。

上图是一个快递仓库，堆满了货物。可以看到分拣员把不同目的地的包裹放入对应目的地的货箱，每装满一箱就放置在对应的区域。

那么分拣员就是指 RecordAccumulator，而货箱以及各自所属的堆放区域，就是 RecordAccumulator 中缓存消息的地方。所有封箱的都会等待 sender 来取货发送出去。

如果你看懂了上图，就大概理解了 RecordAccumulator 的架构设计和运行逻辑。

总结下仓库里有什么：

1. 分拣员
2. 货物
3. 目的地
4. 货箱
5. 堆放区域

记住这些概念，都会体现在源码里，流程如下图所示：

从上面图中可以看出：

1. 至少有一个业务主线程和一个 sender 线程同时操作 RecordAccumulator，所以它必须是线程安全的。
2. 在它里面有一个 ConcurrentMap 集合「Kafka 自定义的 CopyOnWriteMap」。key:TopicPartiton， value:Deque<ProducerBatch>，即以主题分区为单元，把消息以 ProducerBatch 为单位累积缓存，多个 ProducerBatch 保存在 Deque 队列中。当 Deque 中最新的 batch 不能容纳消息时，就会创建新的 batch 来继续缓存，并将其加入 Deque。
3. 通过 ProducerBatch 进行缓存数据，为了减少频繁申请销毁内存造成 Full GC 问题，Kafka 设计了经典的「缓存池 BufferPool 机制」。

综上可以得出 RecordAccumulator 类中有三个重要的组件：「消息批次 ProducerBatch」、「自定义 CopyOnWriteMap」、「缓存池 BufferPool 机制」。

由于篇幅原因，RecordAccumulator 类放到下篇来讲解。

先来看看 ProducerBatch，它是消息缓存及发送消息的最小单位。

通过调用关系可以看出，ProducerBatch 依赖 MemoryRecordsBuilder，而 MemoryRecordsBuilder 依赖 MemoryRecords 构建，所以 「MemoryRecords 才是真正用来保存消息的地方」。

02.1 MemoryRecords

import java.nio.ByteBuffer;
public class MemoryRecords extends AbstractRecords {
  public static MemoryRecordsBuilder builder(..){
        // 重载builder 
        return builder(...);
  }
    
  public static MemoryRecordsBuilder builder(
    ByteBuffer buffer,
    // 消息版本
    byte magic,
    // 消息压缩类型
    CompressionType compressionType,
    // 时间戳
    TimestampType timestampType,
    // 基本位移
    long baseOffset,
    // 日志追加时间
    long logAppendTime,
    // 生产者id
    long producerId,
    // 生产者版本
    short producerEpoch,
    // 批次序列号
    int baseSequence,
    boolean isTransactional,
    // 是否是控制类的批次
    boolean isControlBatch,
    // 分区leader的版本
    int partitionLeaderEpoch) {
        // 初始化MemoryRecordsBuilder类
        return new MemoryRecordsBuilder(...);
  }
}

该类比较简单，通过 builder 方法可以看出依赖 ByteBuffer 来存储消息。MemoryRecordsBuilder 类的构建是通过 MemoryRecords.builder() 来初始化的。

来看看 MemoryRecordsBuilder 类的实现。

02.2 MemoryRecordBuilder

public class MemoryRecordsBuilder implements AutoCloseable {
    // 写操作关闭的输出流
    private static final DataOutputStream CLOSED_STREAM = new DataOutputStream(new OutputStream() {
        // 当向某个ByteBuffer关闭输出流写数据时抛异常
        public void write(int b) {
            throw new ...;
        }
    });
    // 日志时间
    private final TimestampType timestampType;
    // 消息压缩类型
    private final CompressionType compressionType;
    // kafka对OutputStream接口的实现类，对ByteBuffer实现了自动扩容功能
    private final ByteBufferOutputStream bufferStream;
    // 消息的版本
    private final byte magic;
    // ByteBuffer的最初始位置
    private final int initialPosition;
    // 基本位移
    private final long baseOffset;
    // 消息追加的时间
    private final long logAppendTime;
    // 是否是控制类的批次
    private final boolean isControlBatch;
    // 分区leader的版本
    private final int partitionLeaderEpoch;
    // 写入上限
    private final int writeLimit;
    // batch头大小字节数
    private final int batchHeaderSizeInBytes;
    // 评估压缩率
    private float estimatedCompressionRatio = 1.0F;
    // 对bufferStream添加压缩功能
    private DataOutputStream appendStream;
    // 是否是事务批次
    private boolean isTransactional;
    // 生产者id
    private long producerId;
    // 生产者版本
    private short producerEpoch;
    // 批次序列号
    private int baseSequence;
    // 压缩前要写入的消息体大小字节数
    private int uncompressedRecordsSizeInBytes = 0; 
    // 压缩前写入的记录数（不包括头）
    private int numRecords = 0;
    // 实际压缩率
    private float actualCompressionRatio = 1;
    // 最大时间戳
    private long maxTimestamp = RecordBatch.NO_TIMESTAMP;
    // 最大时间戳偏移量
    private long offsetOfMaxTimestamp = -1;
    // 最后的偏移量
    private Long lastOffset = null;
    // 第一次追加消息的时间戳
    private Long firstTimestamp = null;
    // 真正保存消息的地方
    private MemoryRecords builtRecords;

从该类属性字段来看比较多，这里只讲2个关于字节流的字段。

1. CLOSED_STREAM：当关闭某个 ByteBuffer 也会把它对应的写操作输出流设置为 CLOSED_STREAM，目的就是防止再向该 ByteBuffer 写数据，否则就抛异常。
2. bufferStream：首先 MemoryRecordsBuilder 依赖 ByteBuffer 来完成消息存储。它会将 ByteBuffer 封装成 ByteBufferOutputStream 并实现了 Java NIO 的 OutputStream，这样就可以按照流的方式写数据了。同时 ByteBufferOutputStream 提供了自动扩容 ByteBuffer 能力。

来看看它的初始化构造方法。

public MemoryRecordsBuilder(ByteBuffer buffer,...) {
    // 将MemoryRecordsBuilder关联的ByteBuffer封装成ByteBufferOutputStream流
    this(new ByteBufferOutputStream(buffer), ...);
}

// 构造方法
public MemoryRecordsBuilder(
    ByteBufferOutputStream bufferStream,
    ...
    int writeLimit) {
        ....
        // 初始位置
        this.initialPosition = bufferStream.position();
        // 1. 根据不同消息版本计算批次Batch头的长度
        this.batchHeaderSizeInBytes = AbstractRecords.recordBatchHeaderSizeInBytes(magic, compressionType);
        // 2. 调整对应的position
        bufferStream.position(initialPosition + batchHeaderSizeInBytes);
        this.bufferStream = bufferStream;
        // 3. 在bufferStream流外层套一层压缩流，再套一层DataOutputStream流
        this.appendStream = new DataOutputStream(compressionType.wrapForOutput(this.bufferStream, magic));
    }
}

从构造函数可以看出，除了基本字段的赋值之外，会做以下3件事情：

1. 根据消息版本、压缩类型来计算批次 Batch 头的大小长度。
2. 通过调整 bufferStream 的 position，使其跳过 Batch 头部位置，就可以直接写入消息了。
3. 对 bufferStream 增加压缩功能。

看到这里，挺有意思的，不知读者是否意识到这里涉及到 「ByteBuffer」、「bufferStream」 、「appendStream」。

三者的关系是通过「装饰器模式」实现的，即 bufferStream 对 ByteBuffer 装饰实现扩容功能，而 appendStream 又对 bufferStream 装饰实现压缩功能。

来看看它的核心方法。

02.2.1 appendWithOffset()

// 追加新记录
public Long append(long timestamp, ByteBuffer key, ByteBuffer value, Header[] headers) {
   return appendWithOffset(nextSequentialOffset(), timestamp, key, value, headers);
}

// 计算下一个连续偏移量
private long nextSequentialOffset() {
  // lastOffset用来记录当前写入Record的offset，每次当有新Record写入时，都会递增它。
  return lastOffset == null ? baseOffset : lastOffset + 1;
}

// 根据偏移量追加消息
private Long appendWithOffset(
  long offset,
  boolean isControlRecord, 
  long timestamp, 
  ByteBuffer key,
  ByteBuffer value, 
  Header[] headers) {
    try {
        // 检查isControl标志是否一致
        if (isControlRecord != isControlBatch)
            throw new ...;
        // 保证offset是递增的
        if (lastOffset != null && offset <= lastOffset)
            throw new ...;
        // 检查时间戳      
        if (timestamp < 0 && timestamp != RecordBatch.NO_TIMESTAMP)
           throw new ...;
        // 只有V2版本才有header
        if (magic < RecordBatch.MAGIC_VALUE_V2 && headers != null && headers.length > 0)
           throw new ...;
        // 更新firstTimestamp
        if (firstTimestamp == null)
           firstTimestamp = timestamp;
        // V2版本消息写入
        if (magic > RecordBatch.MAGIC_VALUE_V1)         {
            appendDefaultRecord(offset, timestamp, key, value, headers);
            return null;
        } else {
            //V0、V1 版本消息写入(此处不进行剖析)
            return appendLegacyRecord(offset, timestamp, key, value, magic);
        }
    } catch (IOException e) {
        // 抛异常
    }
}

该方法主要用来根据偏移量追加写消息，会根据消息版本来写对应消息，但需要明确的是 ProducerBatch 对标 V2 版本。

来看看 V2 版本消息写入逻辑。

private void appendDefaultRecord(
  long offset, 
  long timestamp, 
  ByteBuffer key, 
  ByteBuffer value,
  Header[] headers) throws IOException {
    // 1. 检查appendStream状态是否可以写
    ensureOpenForRecordAppend();
    // 2. 计算写入多少偏移量
    int offsetDelta = (int) (offset - baseOffset);
    // 3.计算本次写与第一次写之间时间差
    long timestampDelta = timestamp - firstTimestamp;
    // 4.使用DefaultRecord.writeTo()方法会按照V2 版本格式写入appendStream流中，并返回压缩前的消息大小
    int sizeInBytes = DefaultRecord.writeTo(appendStream, offsetDelta, timestampDelta, key, value, headers);
    // 5. 消息写入成功后更新RecordBatch的元信息
    recordWritten(offset, timestamp, sizeInBytes);
}

// 判断appendStream状态是否为CLOSED_STREAM 
private void ensureOpenForRecordAppend() {
    if (appendStream == CLOSED_STREAM)
        throw new ...;
}

// 消息写入成功后更新RecordBatch的元信息
private void recordWritten(long offset, long timestamp, int size) {
  ....
  // 压缩前写入的记录数 + 1
  numRecords += 1;
  // 压缩前要写入的消息体大小字节数 + size
  uncompressedRecordsSizeInBytes += size;
  // 最后的偏移量 + offset
  lastOffset = offset;
  if (magic > RecordBatch.MAGIC_VALUE_V0 && timestamp > maxTimestamp) {
      // 赋值最大时间戳
      maxTimestamp = timestamp;
      // 赋值最大时间戳偏移量
      offsetOfMaxTimestamp = offset;
  }
}

该方法主要用来写入 V2 版本消息的，主要做以下5件事情：

1. 检查是否可写：判断 appendStream 状态是否为 CLOSED_STREAM，如果不是就可写，否则抛异常。
2. 计算本次要写入多少偏移量。
3. 计算本次写入和第一次写的时间差。
4. 按照 V2 版本格式写入 appendStream 流中，并返回压缩前的消息大小。
5. 成功后更新 RecordBatch 的元信息。

02.2.2 hasRoomFor()

public boolean hasRoomFor(long timestamp, ByteBuffer key, ByteBuffer value, Header[] headers) {
    // 检查两个状态
    // (1)appendStream流状态
    // (2)当前已经写入的预估字节数是否超过了writeLimit写入上限
    if (isFull())
        return false;
    // 每个RecordBatch至少可以写入一个Record，此时如果一个Record都没有，则可以继续写入
    if (numRecords == 0)
        return true;
    final int recordSize;
    if (magic < RecordBatch.MAGIC_VALUE_V2) {
        // 预估V0、V1旧版本的Record大小
        recordSize = Records.LOG_OVERHEAD + LegacyRecord.recordSize(magic, key, value);
    } else {
        // 预估V2版本写入的Record大小
        int nextOffsetDelta = lastOffset == null ? 0 : (int) (lastOffset - baseOffset + 1);
        ...
        recordSize = DefaultRecord.sizeInBytes(nextOffsetDelta, timestampDelta, key, value, headers);
    }

    // 已写入字节数 + 本次写入Record的预估字节数不能超过writeLimit写入上限
    return this.writeLimit >= estimatedBytesWritten() + recordSize;
}

public boolean isFull() {
      return appendStream == CLOSED_STREAM || 
      (this.numRecords > 0 && this.writeLimit <= estimatedBytesWritten());
}

该方法主要用来估计当前 MemoryRecordsBuilder 是否还有空间来容纳要写入的 Record，会在下面 ProducerBatch.tryAppend() 里面调用。

最后来看看小节开始提到的自动扩容功能。

02.2.3 expandBuffer()

public class ByteBufferOutputStream extends OutputStream {
   // 扩容因子1.1倍
   private static final float REALLOCATION_FACTOR = 1.1f;
   // 初始容量
   private final int initialCapacity;
   // 初始位置
   private final int initialPosition;
   // 计算是否需要扩容
   public void ensureRemaining(int remainingBytesRequired) {
     // 当写入字节数大于buffer当前剩余字节数就开启扩容
     if (remainingBytesRequired > buffer.remaining())
     expandBuffer(remainingBytesRequired);
  }
  
  // 扩容
  private void expandBuffer(int remainingRequired) {
    // 1. 评估需要多少空间
    int expandSize = Math.max((int) (buffer.limit() * REALLOCATION_FACTOR), buffer.position() + remainingRequired);
    // 2. 申请新的ByteBuffer
    ByteBuffer temp = ByteBuffer.allocate(expandSize);
    // 3. 获取写入上限
    int limit = limit();
    // 4. 写状态转换为读状态
    buffer.flip();
    // 5. 将buffer读到新申请的temp里
    temp.put(buffer);
    // 6. 修改写模式的limit上限
    buffer.limit(limit);
    // 7. 更新原来的buffer的position，防止被重复消费
    buffer.position(initialPosition);
    // 8. 将引用指向新申请的ByteBuffer
    buffer = temp;
  }
}

该方法主要用来判断是否需要扩容 ByteBuffer 的，即当写入字节数大于 buffer 当前剩余字节数就开启扩容，扩容需要做以下3件事情：

1. 评估需要多少空间: 在「扩容空间」、「真正需要多少字节」之间取最大值，此处通过「扩容因子」来计算主要是因为扩容是需要消耗系统资源的，如果每次都按实际数据大小来进行分配空间，会浪费不必要的系统资源。
2. 申请新的空间：根据扩容多少申请新的 ByteBuffer，然后将原来的 ByteBuffer 数据拷贝进去，对应源码步骤：「3 - 7」。
3. 最后将引用指向新申请的 ByteBuffer。

接下来看看 ProducerBatch 的实现。

02.3 ProducerBatch

public final class ProducerBatch {
    // 批次最终状态
    private enum FinalState { ABORTED, FAILED, SUCCEEDED }
    // 批次创建时间  
    final long createdMs;
    // 批次对应的主题分区
    final TopicPartition topicPartition;
    // 请求结果的future
    final ProduceRequestResult produceFuture;
    // 用来存储消息的callback和响应数据
    private final List<Thunk> thunks = new ArrayList<>();
    // 封装MemoryRecords对象，用来存储消息的ByteBuffer
    private final MemoryRecordsBuilder recordsBuilder;
    // batch的失败重试次数
    private final AtomicInteger attempts = new AtomicInteger(0);
    // 是否是被分裂的批次
    private final boolean isSplitBatch;
    // ProducerBatch的最终状态
    private final AtomicReference<FinalState> finalState = new AtomicReference<>(null);
    // Record个数
    int recordCount;
    // 最大Record字节数
    int maxRecordSize;
    // 最后一次失败重试发送的时间戳
    private long lastAttemptMs;
    // 最后一次向该ProducerBatch追加Record的时间戳
    private long lastAppendTime;
    // Sender子线程拉取批次的时间
    private long drainedMs;
    // 是否正在重试过，如果ProducerBatch中的数据发送失败，则会重新尝试发送
    private boolean retry;
}

// 构造函数
public ProducerBatch(TopicPartition tp, MemoryRecordsBuilder recordsBuilder, long createdMs, boolean isSplitBatch) {
    ...
    // 请求结果的future
    this.produceFuture = new ProduceRequestResult(topicPartition);
    ...
}

一个 ProducerBatch 会存放一条或多条消息，通常把它称为「批次消息」。

先来看看几个重要字段：

1. topicPartition：批次对应的主题分区，当前 ProducerBatch 中缓存的 Record 都会发送给该 TopicPartition。
2. produceFuture：请求结果的 Future，通过 ProduceRequestResult 类实现。
3. thunks：Thunk 对象集合，用来存储消息的 callback 和每个 Record 关联的 Feture 响应数据。
4. recordsBuilder：封装 MemoryRecords 对象，用来存储消息的 ByteBuffer。
5. attemps：batch 的失败重试次数，通过 AtomicInteger 提供原子操作来进行 Integer 的使用，适合高并发情况下的使用。
6. isSplitBatch：是否是被分裂的批次，因单个消息过大导致一个 ProducerBatch 存不下，被分裂成多个 ProducerBatch 来存储的情况。
7. drainedMs：Sender 子线程拉取批次的时间。
8. retry：如果 ProducerBatch 中的数据发送失败，则会重新尝试发送。

在构造函数中，有个重要的依赖组件就是 「ProduceRequestResult」，而它是「异步获取消息生产结果的类」，简单剖析下。

02.3.1 ProduceRequestResult 类

public class ProduceRequestResult {
    // 通过一个count为1的CountDownLatch对象间接地实现了Future的功能。
    private final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
    private final TopicPartition topicPartition;
    // 用来记录broker端关联ProducerBatch中第一条Record分配的offset值
    // 这样每个Record的真实offset就可以根据自身在ProducerBatch的位置计算出来了(baseOffset + relativeOffset)
    private volatile Long baseOffset = null;
    
    // 构造函数
    public ProduceRequestResult(TopicPartition topicPartition) {
        this.topicPartition = topicPartition;
    }
    // 当等到响应会会调该函数唤醒阻塞的主线程
    public void done() {
        if (baseOffset == null)
            throw new ...;
        this.latch.countDown();
    }
    // 调用await()方法的线程会被挂起，它会等待直到count值为0才继续执行
    public void await() throws InterruptedException {
        latch.await();
    }
    // 和await()类似，只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
    public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return latch.await(timeout, unit);
    }
}

该类通过 CountDownLatch(1) 间接地实现了 Future 功能，并让其他所有线程都在这个锁上等待，此时只需要调用一次 countDown() 方法就可以让其他所有等待的线程同时恢复执行。

当 Producer 发送消息时会间接调用「ProduceRequestResult.await」，此时线程就会等待服务端的响应。当服务端响应时调用「ProduceRequestResult.done」，该方法调用了「CountDownLatch.countDown」唤醒了阻塞在「CountDownLatch.await」上的主线程。这些线程后续可以通过 ProduceRequestResult 的 error 字段来判断本次请求成功还是失败。

接下来看看 ProducerBatch 类的重要方法。

02.3.2 tryAppend()

public FutureRecordMetadata tryAppend(long timestamp, byte[] key, byte[] value, Header[] headers, Callback callback, long now) {
    // 1.检查MemoryRecordsBuilder是否还有空间写入
    if (!recordsBuilder.hasRoomFor(timestamp, key, value, headers)) {
        return null;
    } else {
        // 2.调用append()方法写入Record
        Long checksum = this.recordsBuilder.append(timestamp, key, value, headers);
        // 3. 更新最大Record字节数
        this.maxRecordSize = Math.max(this.maxRecordSize, AbstractRecords.estimateSizeInBytesUpperBound(magic(),recordsBuilder.compressionType(), key, value, headers));
        ...
        // 4.构建FutureRecordMetadata对象
        FutureRecordMetadata future = new FutureRecordMetadata(this.produceFuture, this.recordCount,timestamp, checksum,key == null ? -1 : key.length,value == null ? -1 : value.length, Time.SYSTEM);
        // 5. 将Callback和FutureRecordMetadata记录到thunks集合中
        thunks.add(new Thunk(callback, future));
        // 6. 更新Record记录数
        this.recordCount++;
        // 7. 返回FutureRecordMetadata
        return future;
    }
}

该方法主要用来尝试追加写消息的，主要做以下6件事情：

1. 通过 MemoryRecordsBuilder 的 hasRoomFor() 检查当前 ProducerBatch 是否还有足够的空间来存储此次写入的 Record。
2. 调用 MemoryRecordsBuilder.append() 方法将 Record 追加到 ByteBuffer 中。
3. 创建 FutureRecordMetadata 对象，底层继承了 Future 接口，对应此次 Record 的发送。
4. 将 Future 和消息的 callback 回调封装成 Thunk 对象，放入 thunks 集合中。
5. 更新 Record 记录数。
6. 返回 FutureRecordMetadata。

可以看出该方法只是让 Producer 主线程完成了消息的缓存，并没有实现真正的网络发送。

接下来简单看看 FutureRecordMetadata，它实现了 JDK 中 concurrent 的 Future 接口。除了维护 ProduceRequestResult 对象外还维护了 relativeOffset 等字段，其中 relativeOffset 用来记录对应 Record 在 ProducerBatch 中的偏移量。

该类有2个值得注意的方法，get() 和 value()。

public RecordMetadata get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    ...
    // 依赖ProduceRequestResult的CountDown来实现阻塞等待
    boolean occurred = this.result.await(timeout, unit);
    ...
    // 调用value()方法返回RecordMetadata对象
    return valueOrError();
}
    
RecordMetadata valueOrError() throws ExecutionException {
    ...
    return value();
}

该方法主要依赖 ProduceRequestResult 的 CountDown 来实现阻塞等待，最后调用 value() 返回 RecordMetadata 对象。

RecordMetadata value() {
    ...
     // 将 partition、baseOffset、relativeOffset、时间戳（LogAppendTime | CreateTimeStamp）等信息封装成 RecordMetadata 对象返回
    return new RecordMetadata(
      result.topicPartition(), 
      ...);
}

private long timestamp() {
    return result.hasLogAppendTime() ? result.logAppendTime() : createTimestamp;
}

该方法主要通过各种参数封装成 RecordMetadata 对象返回。

了解了 ProducerBatch 是如何写入数据的，我们再来看看 done() 方法。当 Producer 收到 Broker 端「正常」|「超时」|「异常」|「关闭生产者」等响应都会调用 ProducerBatch 的 done()方法。

02.3.3 done()

public boolean done(long baseOffset, long logAppendTime, RuntimeException exception) {
    // 1.根据exception决定本次ProducerBatch发送的最终状态
    final FinalState tryFinalState = (exception == null) ? FinalState.SUCCEEDED : FinalState.FAILED;
    ....
    // 2.通过CAS操作更新finalState状态，只有第一次更新的时候，才会触发completeFutureAndFireCallbacks()方法
    if (this.finalState.compareAndSet(null, tryFinalState)) {
        // 3.执行回调
        completeFutureAndFireCallbacks(baseOffset, logAppendTime, exception);
        return true;
    }
    ....
    return false;
}

该方法主要用来是否可以执行回调操作，即当收到该批次响应后，判断批次 Batch 最终状态是否可以执行回调操作。

03.3.4 completeFutureAndFireCallbacks()

private void completeFutureAndFireCallbacks(long baseOffset, long logAppendTime, RuntimeException exception) {
  // 1.更新ProduceRequestResult中的相关字段
  produceFuture.set(baseOffset, logAppendTime, exception);

  // 2.遍历thunks集合，触发每个Record的Callback回调
  for (Thunk thunk : thunks) {
      try {
          if (exception == null) {
           // 3.获取消息元数据
           RecordMetadata metadata = thunk.future.value();
           if (thunk.callback != null)
             //4.调用回调方法
             thunk.callback.onCompletion(metadata, null);
          } else {
              if (thunk.callback != null)
                  // 4.调用回调方法
                  thunk.callback.onCompletion(null, exception);
          }
      } 
      ....
  }
  // 4.调用底层 CountDownLatch.countDown()方法，阻塞在其上的主线程。
  produceFuture.done();
}

该方法主要用来调用回调方法和完成 future，主要做以下3件事情：

1. 更新 ProduceRequestResult 中的相关字段，包括基本位移、消息追加的时间、异常。
2. 遍历 thunks 集合，触发每个 Record 的 Callback 回调。
3. 调用底层 CountDownLatch.countDown()方法，阻塞在其上的主线程。

至此我们已经讲解了 ProducerBatch 「如何缓存消息」、「如何处理响应」、「如何处理回调」三个最重要方法。

通过一张图来描述下缓存消息的存储结构：

接下来看看 Kafka 生产端最经典的 「缓冲池架构」。

03 客户端缓存池架构设计

为什么客户端需要缓存池这个经典架构设计呢？

主要原因就是频繁的创建和释放 ProducerBatch 会导致 Full GC 问题，所以 Kafka 针对这个问题实现了一个非常优秀的机制，就是「缓存池 BufferPool 机制」。即每个 Batch 底层都对应一块内存空间，这个内存空间就是专门用来存放消息，用完归还就行。

接下来看看缓存池的源码设计。

03.1 BufferPool

public class BufferPool {
  // 整个BufferPool总内存大小 默认32M
  private final long totalMemory;
  // 当前BufferPool管理的单个ByteBuffer大小，16k 
  private final int poolableSize;
  // 因为有多线程并发分配和回收ByteBuffer，用锁控制并发，保证线程安全。
  private final ReentrantLock lock;
  // 对应一个ArrayDeque<ByteBuffer> 队列，其中缓存了固定大小的 ByteBuffer 对象
  private final Deque<ByteBuffer> free;
  // 此队列记录因申请不到足够空间而阻塞的线程对应的Condition 对象
  private final Deque<Condition> waiters;
  // 非池化可用的内存即totalMemory减去free列表中的全部ByteBuffer的大小
  private long nonPooledAvailableMemory;
  // 构造函数
  public BufferPool(long memory, int poolableSize, Metrics metrics, Time time, String metricGrpName) {
    ...
    // 总的内存
    this.totalMemory = memory;
    // 默认的池外内存，就是总的内存
    this.nonPooledAvailableMemory = memory;
  }
}

先来看看上面几个重要字段：

1. totalMemory：整个 BufferPool 内存大小「buffer.memory」，默认是32M。
2. poolableSize：池化缓存池一块内存块的大小「batch.size」，默认是16k。
3. lock：当有多线程并发分配和回收 ByteBuffer 时，为了保证线程的安全，使用锁来控制并发。
4. free：池化的 free 队列，其中缓存了指定大小的 ByteBuffer 对象。
5. waiters：阻塞线程对应的 Condition 队列，当有申请不到足够内存的线程时，为了等待其他线程释放内存而阻塞等待，对应的 Condition 对象会进入该队列。
6. nonPooledAvailableMemory：非池化可用内存。

可以看出它只会针对固定大小「poolableSize 16k」的 ByteBuffer 进行管理，ArrayDeque 的初始化大小是16，此时 BufferPool 的状态如下图：

接下来看看 BufferPool 的重要方法。

03.1.1 allocate()

// 分配指定空间的缓存，如果缓冲区中没有足够的空闲空间，那么会阻塞线程，直到超时或得到足够空间
public ByteBuffer allocate(int size, long maxTimeToBlockMs) throws InterruptedException {
  // 1.判断申请的内存是否大于总内存
  if (size > this.totalMemory)
      throw new IllegalArgumentException("Attempt to allocate " + size + " bytes, but there is a hard limit of "+ this.totalMemory + " on memory allocations.");
  // 初始化buffer
  ByteBuffer buffer = null;
  // 2.加锁，保证线程安全。
  this.lock.lock();
  // 如果当前BufferPool处于关闭状态，则直接抛出异常
  if (this.closed) {
      this.lock.unlock();
      throw new KafkaException("Producer closed while allocating memory");
  }
  ....
  try {
      // 3.申请内存大小恰好为16k 且free缓存池不为空
      if (size == poolableSize && !this.free.isEmpty())
      // 从free队列取出一个ByteBuffer
      return this.free.pollFirst();
      
      // 对于申请内存大小非16k情况
      // 先计算free缓存池总空间大小，判断是否足够
      int freeListSize = freeSize() * this.poolableSize;
      // 4.当前BufferPool能够释放出申请内存大小的空间
      if (this.nonPooledAvailableMemory + freeListSize >= size) {
          // 5.如果size大于非池化可用内存大小，就循环从free缓存池里释放出来空闲Bytebuffer补充到nonPooledAvailableMemory中，直到满足size大小为止。
          freeUp(size);
          // 释放非池化可用内存大小
          this.nonPooledAvailableMemory -= size;
      } else {
          // 如果当前BufferPool不够提供申请内存大小，则需要阻塞当前线程
          // 累计已经释放的内存
          int accumulated = 0;
          // 创建对应的Condition，阻塞自己等待别的线程释放内存
          Condition moreMemory = this.lock.newCondition();
          try {
              // 计算当前线程最大阻塞时长
              long remainingTimeToBlockNs = TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(maxTimeToBlockMs);
              // 把自己添加到等待队列中末尾，保持公平性，先来的先获取内存，防止饥饿
              this.waiters.addLast(moreMemory);
              // 循环等待直到分配成功或超时
              while (accumulated < size) {
                  ....
                  try {
                    // 当前线程阻塞等待，返回结果为false则表示阻塞超时
                   waitingTimeElapsed = !moreMemory.await(remainingTimeToBlockNs, TimeUnit.NANOSECONDS);
                  } finally {
                      ....
                  }
                  ....   
                  // 申请内存大小是16k，且free缓存池有了空闲的ByteBuffer
                  if (accumulated == 0 && size == this.poolableSize && !this.free.isEmpty()) {
                    // 从free队列取出一个ByteBuffer
                    buffer = this.free.pollFirst();
                    // 计算累加器
                    accumulated = size;
                  } else {
                      // 释放空间给非池化可用内存，并继续等待空闲空间，如果分配多了只取够size的空间
                      freeUp(size - accumulated);
                      int got = (int) Math.min(size - accumulated, this.nonPooledAvailableMemory);
                      // 释放非池化可用内存大小
                      this.nonPooledAvailableMemory -= got;
                      // 累计分配了多少空间
                      accumulated += got;
                  }
              }
              accumulated = 0;
          } finally {
              // 如果循环有异常，将已释放的空间归还给非池化可用内存
              this.nonPooledAvailableMemory += accumulated;
              //把自己从等待队列中移除并结束
              this.waiters.remove(moreMemory);
          }
      }
  } finally {
     // 当非池化可用内存有内存或free缓存池有空闲ByteBufer且等待队列里有线程正在等待
      try {
          if (!(this.nonPooledAvailableMemory == 0 && this.free.isEmpty()) && !this.waiters.isEmpty())
           // 唤醒队列里正在等待的线程
           this.waiters.peekFirst().signal();
      } finally {
          // 解锁
          lock.unlock();
      }
  }
  // 说明空间足够，并且有足够空闲的了。可以执行真正的分配空间了。
  if (buffer == null)
      // 没有正好的buffer，从缓冲区外(JVM Heap)中直接分配内存
      return safeAllocateByteBuffer(size);
  else
      // 直接复用free缓存池的ByteBuffer
      return buffer;
}

private ByteBuffer safeAllocateByteBuffer(int size) {
  boolean error = true;
  try {
      //分配空间
      ByteBuffer buffer = allocateByteBuffer(size);
      error = false;
      //返回buffer
      return buffer;
  } finally {
    if (error) {
        //分配失败了, 加锁，操作内存pool
        this.lock.lock();
        try {
            //归还空间给非池化可用内存
            this.nonPooledAvailableMemory += size;
            if (!this.waiters.isEmpty())
                //有其他在等待的线程的话，唤醒其他线程
                this.waiters.peekFirst().signal();
        } finally {
            // 加锁不忘解锁
            this.lock.unlock();
        }
    }
  }
}

protected ByteBuffer allocateByteBuffer(int size) {
    // 从JVM Heap中分配空间
    return ByteBuffer.allocate(size);
}

// 不断从free队列中释放空闲的ByteBuffer来补充非池化可用内存
private void freeUp(int size) {
    while (!this.free.isEmpty() && this.nonPooledAvailableMemory < size)
        this.nonPooledAvailableMemory += this.free.pollLast().capacity();
}

该方法主要用来尝试分配 ByteBuffer，这里分4种情况说明下：

情况1：申请16k且free缓存池有可用内存

此时会直接从 free 缓存池中获取队首的 ByteBuffer 分配使用，用完后直接将 ByteBuffer 放到 free 缓存池的队尾中，并调用 clear() 清空数据，以便下次重复使用。

情况2：申请16k且free缓存池无可用内存

此时 free 缓存池无可用内存，只能从非池化可用内存中获取16k内存来分配，用完后直接将 ByteBuffer 放到 free 缓存池的队尾中，并调用 clear() 清空数据，以便下次重复使用。

情况3：申请非16k且free缓存池无可用内存

此时 free 缓存池无可用内存，且申请的是非16k，只能从非池化可用内存(空间够分配)中获取一部分内存来分配，用完后直接将申请到的内存空间释放到非池化可用内存中，后续会被 GC 掉。

情况4：申请非16k且free缓存池有可用内存，但非池化可用内存不够

此时 free 缓存池有可用内存，但申请的是非16k，先尝试从 free 缓存池中将 ByteBuffer 释放到非池化可用内存中，直到满足申请内存大小(size)，然后从非池化可用内存获取对应内存大小来分配，用完后直接将申请到的内存空间释放到到非池化可用内存中，后续会被 GC 掉。

03.1.2 deallocate()

public void deallocate(ByteBuffer buffer, int size) {
    // 1.加锁，保证线程安全。
    lock.lock();
    try {
    // 2.如果待释放的size大小为16k，则直接放入free队列中
        if (size == this.poolableSize && size == buffer.capacity()) {
            // 清空buffer
            buffer.clear();
            // 释放buffer到free队列里
            this.free.add(buffer);
        } else {
            //如果非16k，则由JVM GC来回收ByteBuffer并增加非池化可用内存
            this.nonPooledAvailableMemory += size;
        }
        // 3.唤醒waiters中的第一个阻塞线程
        Condition moreMem = this.waiters.peekFirst();
        if (moreMem != null)
            moreMem.signal();
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}  

该方法主要用来尝试释放 ByteBuffer 空间，主要做以下几件事情：

1. 先加锁，保证线程安全。
2. 如果待释放的 size 大小为16k，则直接放入 free 队列中。
3. 否则由 JVM GC 来回收 ByteBuffer 并增加 nonPooledAvailableMemory。
4. 当有 ByteBuffer 回收了，唤醒 waiters 中的第一个阻塞线程。

最后来看看 kafka 自定义的支持「读写分离场景」CopyOnWriteMap 的实现。

03.2 CopyOnWriteMap

通过 RecordAccumulator 类的属性字段中可以看到，CopyOnWriteMap 中 key 为主题分区，value 为向这个分区发送的 Deque<ProducerBatch> 队列集合。

我们知道生产消息时，要发送的分区是很少变动的，所以写操作会很少。大部分情况都是先获取分区对应的队列，然后将 ProducerBatch 放入队尾，所以读操作是很频繁的，这就是个典型的「读多写少」的场景。

所谓 「CopyOnWrite」 就是当写的时候会拷贝一份来进行写操作，写完了再替换原来的集合。

来看看它的源码实现。

  public class CopyOnWriteMap<K, V> implements ConcurrentMap<K, V> {
    // volatile Map
    private volatile Map<K, V> map;
    // 构造函数
    public CopyOnWriteMap() {
        this.map = Collections.emptyMap();
    } 

该类只有一个重要的字段 Map，是通过「volatile」来修饰的，目的就是在多线程的场景下，当 Map 发生变化的时候其他的线程都是可见的。

接下来看几个重要方法，都比较简单，但是实现非常经典。

03.2.1 get()

// 获取集合中队列
public V get(Object k) {
    return map.get(k);
}

该方法主要用来读取集合中的队列，可以看到读操作并没有加锁，多线程并发读取的场景并不会阻塞，可以实现高并发读取。如果队列已经存在了就直接返回即可。

03.2.2 putIfAbsent()

public synchronized V putIfAbsent(K k, V v) {
    if (!containsKey(k))
        return put(k, v);
    else
        return get(k);
}

// 判断队列是否存在
public boolean containsKey(Object k) {
    return map.containsKey(k);
}   

该方法主要用来获取或者设置队列，会被多个线程并发执行，通过「synchronized」来修饰可以保证线程安全的，除非队列不存在才会去设置。

03.2.3 put()

public synchronized V put(K k, V v) {
    Map<K, V> copy = new HashMap<K, V>(this.map);
    V prev = copy.put(k, v);
    this.map = Collections.unmodifiableMap(copy);
    return prev;
}

该方法主要用来设置队列的， put 时也是通过「synchronized」来修饰的，可以保证同一时间只有一个线程会来更新这个值。

那为什么说写操作不会阻塞读操作呢？

1. 首先重新创建一个 HashMap 集合副本。
2. 通过「volatile」写的方式赋值给对应集合里。
3. 把新的集合设置成「不可修改的 map」,并赋值给字段 map。

这就实现了读写分离。对于 Producer 最最核心，会出现多线程并发访问的就是缓存池。因此这块的高并发设计相当重要。

04 总结

这里，我们一起来总结一下这篇文章的重点。

1、带你先整体的梳理了 Kafka 客户端消息批量发送的好处。

2、通过一个真实生活场景类比来带你理解 RecordAccumulator 内部构造，并且深度剖析了消息是如何在客户端缓存的，以及内部各组件实现原理。

3、带你深度剖析了 Kafka 客户端非常重要的 BufferPool 、CopyOnWriteMap 的实现原理。

下篇我们来深度剖析「Kafka 客户端 RecordAccumulator 实现原理」，大家期待，我们下期见。

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