Kafka【十一】数据一致性与高水位（HW ：High Watermark）机制

【1】数据一致性

Kafka的设计目标是：高吞吐、高并发、高性能。为了做到以上三点，它必须设计成分布式的，多台机器可以同时提供读写，并且需要为数据的存储做冗余备份。

图中的主题有3个分区，每个分区有3个副本，这样数据可以冗余存储，提高了数据的可用性。并且3个副本有两种角色，Leader和Follower，Follower副本会同步Leader副本的数据。

一旦Leader副本挂了，Follower副本可以选举成为新的Leader副本， 这样就提升了分区可用性，但是相对的，在提升了分区可用性的同时，也就牺牲了数据的一致性。

我们来看这样的一个场景：一个分区有3个副本，一个Leader和两个Follower。Leader副本作为数据的读写副本，所以生产者的数据都会发送给leader副本，而两个follower副本会周期性地同步leader副本的数据，但是因为网络，资源等因素的制约，同步数据的过程是有一定延迟的，所以3个副本之间的数据可能是不同的。具体如下图所示：

此时，假设leader副本因为意外原因宕掉了，那么Kafka为了提高分区可用性，此时会选择2个follower副本中的一个作为Leader对外提供数据服务。此时我们就会发现，对于消费者而言，之前leader副本能访问的数据是D，但是重新选择leader副本后，能访问的数据就变成了C，这样消费者就会认为数据丢失了，也就是所谓的数据不一致了。

为了提升数据的一致性，Kafka引入了高水位（HW ：High Watermark）机制，Kafka在不同的副本之间维护了一个水位线的机制（其实也是一个偏移量的概念），消费者只能读取到水位线以下的的数据。这就是所谓的木桶理论：木桶中容纳水的高度，只能是水桶中最短的那块木板的高度。这里将整个分区看成一个木桶，其中的数据看成水，而每一个副本就是木桶上的一块木板，那么这个分区（木桶）可以被消费者消费的数据（容纳的水）其实就是数据最少的那个副本的最后数据位置（木板高度）。

也就是说，消费者一开始在消费Leader的时候，虽然Leader副本中已经有a、b、c、d 4条数据，但是由于高水位线的限制，所以也只能消费到a、b这两条数据。

这样即使leader挂掉了，但是对于消费者来讲，消费到的数据其实还是一样的，因为它能看到的数据是一样的，也就是说，消费者不会认为数据不一致。

不过也要注意，因为follower要求和leader的日志数据严格保持一致，所以就需要根据现在Leader的数据偏移量值对其他的副本进行数据截断（truncate）操作。

【2】HW在副本之间的传递

HW高水位线会随着follower的数据同步操作而不断上涨，也就是说，follower同步的数据越多，那么水位线也就越高，那么消费者能访问的数据也就越多。接下来我们就看一看，follower在同步数据时HW的变化。

首先，初始状态下，Leader和Follower都没有数据，所以和偏移量相关的值都是初始值0，而由于Leader需要管理follower，所以也包含着follower的相关偏移量（LEO）数据。

生产者向Leader发送两条数据，Leader收到数据后，会更新自身的偏移量信息。

Leader副本偏移量更新：LEO=LEO+2=2

接下来，Follower开始同步Leader的数据，同步数据时，会将自身的LEO值作为参数传递给Leader。此时，Leader会将数据传递给Follower，且同时Leader会根据所有副本的LEO值更新HW。

Leader副本偏移量更新：HW = Math.max[HW, min(LeaderLEO，F1-LEO，F2-LEO)]=0

由于两个Follower的数据拉取速率不一致，所以Follower-1抓取了2条数据，而Follower-2抓取了1条数据。Follower再收到数据后，会将数据写入文件，并更新自身的偏移量信息。

Follower-1副本偏移量更新：
LEO=LEO+2=2
HW = Math.min[LeaderHW, LEO]=0
Follower-2副本偏移量更新：
LEO=LEO+1=1
HW = Math.min[LeaderHW, LEO]=0

接下来Leader收到了生产者的数据C，那么此时会根据相同的方式更新自身的偏移量信息

Leader副本偏移量更新：LEO=LEO+1=3

follower接着向Leader发送Fetch请求，同样会将最新的LEO作为参数传递给Leader。Leader收到请求后，会更新自身的偏移量信息。

Leader副本偏移量更新：HW = Math.max[HW, min(LeaderLEO，F1-LEO，F2-LEO)]=1

此时，Leader会将数据发送给Follower，同时也会将HW一起发送。

Follower收到数据后，会将数据写入文件，并更新自身偏移量信息

Follower-1副本偏移量更新：
LEO=LEO+1=3
HW = Math.min[LeaderHW, LEO]=1
Follower-2副本偏移量更新：
LEO=LEO+1=2
HW = Math.min[LeaderHW, LEO]=1

因为Follower会不断重复Fetch数据的过程，所以前面的操作会不断地重复。最终，follower副本和Leader副本的数据和偏移量是保持一致的。

上面演示了副本列表ISR中Follower副本和Leader副本之间HW偏移量的变化过程，但特殊情况是例外的。比如当前副本列表ISR中，只剩下了Leader一个副本的场合下，是不需要等待其他副本的，直接推高HW即可。