消息队列（3）--Kafka高性能是怎么做到的

Kafka是高性能的消息队列，在消息中间件中，它的性能绝对是第一梯队

究其原因，除了通用的性能优化手段，

1. 全异步化的线程模型 只用少量的线程，就能达到超高的吞吐能力，缺点是代码复杂度要大很多
2. 高性能的异步网络传输 使用基于NIO的多路复用技术的Netty通信框架进行网络通信，NIO提供了 Selector 机制，用单个线程同时管理多个连接
3. 自定义的私有传输协议 双方应用程序的交流规范就是传输协议，二进制流可以使用“分隔符”和“前置长度”两种断句方法，使用 ID 来标识请求与响应对应关系”的方法，是一种比较通用的实现双工通信的方法，可以有效提升数据传输的吞吐量。
4. 自定义的私有的序列化和反序列化 将结构化数据和二进制流双向转换，高性能的进程之间传输数据，在选择序列化实现的时候，需要综合考虑数据可读性，实现复杂度，性能和信息密度这四个因素。

还有如下方法和优化技巧？

1.批量处理消息，提高系统吞吐量

发送拉取消息和Broker服务端存储消息，都是以批为单元进行的，消费者在拉取消息后，在客户端把批消息解开，再一条一条交给用户代码处理。

构建批消息和解开批消息分别在发送端和消费端的客户端完成，不仅减轻了 Broker 的压力，最重要的是减少了 Broker 处理请求的次数，提升了总体的处理能力。

2.使用操作系统的PageCach缓存消息，减少磁盘IO

在 Kafka 中，它会利用 PageCache 加速消息读写。PageCache 是现代操作系统都具有的一项基本特性。通俗地说，PageCache 就是操作系统在内存中给磁盘上的文件建立的缓存。

应用程序在写入文件的时候，操作系统会先把数据写入到内存中的 PageCache，然后再一批一批地写到磁盘上。读取文件的时候，也是从 PageCache 中来读取数据。

Kafka 在读写消息文件的时候，充分利用了 PageCache 的特性。一般来说，消息刚刚写入到服务端就会被消费，按照 LRU 的“优先清除最近最少使用的页”这种策略，读取的时候，对于这种刚刚写入的 PageCache，命中的几率会非常高。

也就是说，大部分情况下，消费读消息都会命中 PageCache，带来的好处有两个：一个是读取的速度会非常快，另外一个是，给写入消息让出磁盘的 IO 资源，间接也提升了写入的性能。

3.使用顺序读写磁盘，提升磁盘读写性能

顺序读写相比随机读写省去了大部分的寻址时间，它只要寻址一次，就可以连续地读写下去，所以说，性能要比随机读写要好很多。

Kafka 就是充分利用了磁盘的这个特性。它的存储设计非常简单，对于每个分区，它把从 Producer 收到的消息，顺序地写入对应的 log 文件中，一个文件写满了，就开启一个新的文件这样顺序写下去。消费的时候，也是从某个全局的位置开始，也就是某一个 log 文件中的某个位置开始，顺序地把消息读出来。

4.零拷贝技术

首先，从文件中找到消息数据，读到内存中；

然后，把消息通过网络发给客户端。

这个过程中，数据实际上做了 2 次或者 3 次复制：

从文件复制数据到 PageCache 中，如果命中 PageCache，这一步可以省掉；

从 PageCache 复制到应用程序的内存空间中，也就是我们可以操作的对象所在的内存；

从应用程序的内存空间复制到 Socket 的缓冲区，这个过程就是我们调用网络应用框架的 API 发送数据的过程。

Kafka 使用零拷贝技术可以把这个复制次数减少一次，上面的 2、3 步骤两次复制合并成一次复制。直接从 PageCache 中把数据复制到 Socket 缓冲区中，这样不仅减少一次数据复制，更重要的是，由于不用把数据复制到用户内存空间，DMA 控制器可以直接完成数据复制，不需要 CPU 参与，速度更快。

5.Kafka 是否开启压缩，这是可以配置

在开启压缩时，Kafka 选择一批消息一起压缩，每一个批消息就是一个压缩分段。使用者也可以通过参数来控制每批消息的大小。

Kafka 在生产者上，对每批消息进行压缩，批消息在服务端不解压，消费者在收到消息之后再进行解压。简单地说，Kafka 的压缩和解压都是在客户端完成的，在服务端不用解压，就不会耗费服务端宝贵的 CPU 资源，同时还能获得压缩后，占用传输带宽小，占用存储空间小的这些好处

总结：

Kafka 的高性能设计中的几个关键的技术点：

* 使用批量处理的方式来提升系统吞吐能力。
* 基于磁盘文件高性能顺序读写的特性来设计的存储结构。
* 利用操作系统的 PageCache 来缓存数据，减少 IO 并提升读性能。
* 使用零拷贝技术加速消费流程。以上这些，就是 Kafka 之所以能做到如此高性能的关键技术点。你可以看到，要真正实现一个高性能的消息队列，是非常不容易的，你需要熟练掌握非常多的编程语言和操作系统的底层技术。扩展：下篇文章分享Kafka拉取消息过程，附Kafka拉取消息的时序图

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