Kafka为什么性能这么快?4大核心原因详解

Kafka为什么性能这么快?4大核心原因详解-mikechen的互联网架构

Kafka的性能快这是大厂Java面试经常问的一个话题,下面我就重点讲解Kafka为什么性能这么快的4大核心原因@mikechen

1、页缓存技术

Kafka 是基于操作系统 的页缓存(page cache)来实现文件写入的,我们也可以称之为 os cache,意思就是操作系统自己管理的缓存。

Kafka 在写入磁盘文件的时候,可以直接写入这个 os cache 里,也就是仅仅写入内存中,接下来由操作系统自己决定什么时候把 os cache 里的数据真的刷入磁盘文件中。

通过这一个步骤,就可以将磁盘文件写性能提升很多了,因为其实这里相当于是在写内存,不是在写磁盘,原理图如下:

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2、磁盘顺序写

另一个主要功能是 kafka 写数据的时候,是以磁盘顺序写的方式来写的,也就是说仅仅将数据追加到文件的末尾,不是在文件的随机位置来修改数据。

为什么要采用磁盘顺序写?

完成一次磁盘 IO,需要经过寻道、旋转和数据传输三个步骤:

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  1. 寻道(时间):磁头移动定位到指定磁道;
  2. 旋转延迟(时间):等待指定扇区从磁头下旋转经过;
  3. 数据传输(时间):数据在磁盘、内存与网络之间的实际传输。

首先必须找到柱面,即磁头需要移动对准相应磁道,这个过程叫做寻道,所耗费时间叫做寻道时间,然后目标扇区旋转到磁头下,这个过程耗费的时间叫做旋转时间。

怎么样才能提高磁盘的读写效率呢?

即采用磁盘顺序写,这样就不需要寻道时间,只需很少的旋转时间,将数据追加到文件的末尾,不是在文件的随机位置来修改数据。

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基于上面两点,kafka 就实现了写入数据的超高性能。

 

3、零拷贝

先来看看非零拷贝的情况,如下图所示:

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可以看到数据的拷贝从内存拷贝到 Kafka 服务进程那块,又拷贝到 Socket 缓存那块,整个过程耗费的时间比较高。

Kafka 利用了 Linux 的 sendFile 技术(NIO),省去了进程切换和一次数据拷贝,让性能变得更好,如下图所示:

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通过 零拷贝技术,就不需要把 os cache 里的数据拷贝到应用缓存,再从应用缓存拷贝到 Socket 缓存了,两次拷贝都省略了,所以叫做零拷贝。

4、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。

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。

 

以上!


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