Kafka+Spark Streaming管理offset的几种方法

来源:大数据技术与架构作者:王知无

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By 大数据技术与架构

场景描述：Kafka配合Spark Streaming是大数据领域常见的黄金搭档之一，主要是用于数据实时入库或分析。为了应对可能出现的引起Streaming程序崩溃的异常情况，我们一般都需要手动管理好Kafka的offset，而不是让它自动提交，即需要将enable.auto.commit设为false。只有管理好offset，才能使整个流式系统最大限度地接近exactly once语义。

关键词：offset Spark Streaming

Kafka+Spark Streaming主要用于实时流处理。到目前为止，在大数据领域中是一种非常常见的架构。Kafka在其中主要起着一个缓冲的作用，所有的实时数据都会经过kafka。所以对kafka offset的管理是其中至关重要的一环。

我们一般都需要手动管理好Kafka的offset，而不是让它自动提交，即需要将enable.auto.commit设为false。

一但管理不善，就会到导致数据丢失或重复消费。

offset的管理方式

一个简单的流程如下：

• 在Kafka DirectStream初始化时，取得当前所有partition的存量offset，以让DirectStream能够从正确的位置开始读取数据。
• 读取消息数据，处理并存储结果。
• 提交offset，并将其持久化在可靠的外部存储中。
• 图中的“process and store results”及“commit offsets”两项，都可以施加更强的限制，比如存储结果时保证幂等性，或者提交offset时采用原子操作。

保存offset的方式

Checkpoint：

Spark Streaming的checkpoints是最基本的存储状态信息的方式，一般是保存在HDFS中。但是最大的问题是如果streaming程序升级的话，checkpoints的数据无法使用，所以几乎没人使用。

offset的三种管理方式：

自动提交offset：

• enable.auto.commit=true。
• 一但consumer挂掉，就会导致数据丢失或重复消费。
• offset不可控。

Kafka自身的offset管理：

• （属于At-least-once语义，如果做好了幂等性，可以使用这种方式）：
• 在Kafka 0.10+版本中，offset的默认存储由ZooKeeper移动到了一个自带的topic中，名为__consumer_offsets。
• Spark Streaming也专门提供了commitAsync() API用于提交offset。
• 需要将参数修改为enable.auto.commit=false。
• 在我实际测试中发现，这种offset的管理方式，不会丢失数据，但会出现重复消费。
• 停掉streaming应用程序再次启动后，会再次消费停掉前最后的一个批次数据，应该是由于offset是异步提交的方式导致，offset更新不及时引起的。
• 因此需要做好数据的幂等性。
• （修改源码将异步改为同步，应该是可以做到Exactly-once语义的）

自定义offset：

• （推荐，采用这种方式，可以做到At-least-once语义）：
• 可以将offset存放在第三方储中，包括RDBMS、Redis、ZK、ES等。
• 若消费数据存储在带事务的组件上，则强烈推荐将offset存储在一起，借助事务实现 Exactly-once 语义。

示例

Kafka自身管理offset：

在Kafka 0.10+版本中，offset的默认存储由ZooKeeper移动到了一个自带的topic中，名为__consumer_offsets。所以我们读写offset的对象正是这个topic，Spark Streaming也专门提供了commitAsync() API用于提交offset。实际上，一切都已经封装好了，直接调用相关API即可。

stream.foreachRDD { rdd =>
 val offsetRanges = rdd.asInstanceOf[HasOffsetRanges].offsetRanges
 // 确保结果都已经正确且幂等地输出了
 stream.asInstanceOf[CanCommitOffsets].commitAsync(offsetRanges)
}

ZooKeeper

在Spark Streaming连接Kafka应用中使用Zookeeper来存储offsets也是一种比较可靠的方式。

在这个方案中，Spark Streaming任务在启动时会去Zookeeper中读取每个分区的offsets。如果有新的分区出现，那么他的offset将会设置在最开始的位置。在每批数据处理完之后，用户需要可以选择存储已处理数据的一个offset或者最后一个offset。此外，新消费者将使用跟旧的Kafka 消费者API一样的格式将offset保存在ZooKeeper中。因此，任何追踪或监控Zookeeper中Kafka Offset的工具仍然生效的。

一个典型的工具类：

class ZkKafkaOffsetManager(zkUrl: String) {
 private val logger = LoggerFactory.getLogger(classOf[ZkKafkaOffsetManager])
 private val zkClientAndConn = ZkUtils.createZkClientAndConnection(zkUrl, 30000, 30000);
 private val zkUtils = new ZkUtils(zkClientAndConn._1, zkClientAndConn._2, false)
 def readOffsets(topics: Seq[String], groupId: String): Map[TopicPartition, Long] = {
 val offsets = mutable.HashMap.empty[TopicPartition, Long]
 val partitionsForTopics = zkUtils.getPartitionsForTopics(topics)
 // /consumers/<groupId>/offsets/<topic>/<partition>
 partitionsForTopics.foreach(partitions => {
 val topic = partitions._1
 val groupTopicDirs = new ZKGroupTopicDirs(groupId, topic)
 partitions._2.foreach(partition => {
 val path = groupTopicDirs.consumerOffsetDir + "/" + partition
 try {
 val data = zkUtils.readData(path)
 if (data != null) {
 offsets.put(new TopicPartition(topic, partition), data._1.toLong)
 logger.info(
 "Read offset - topic={}, partition={}, offset={}, path={}",
 Seq[AnyRef](topic, partition.toString, data._1, path)
 )
 }
 } catch {
 case ex: Exception =>
 offsets.put(new TopicPartition(topic, partition), 0L)
 logger.info(
 "Read offset - not exist: {}, topic={}, partition={}, path={}",
 Seq[AnyRef](ex.getMessage, topic, partition.toString, path)
 )
 }
 })
 })
 offsets.toMap
 }
 def saveOffsets(offsetRanges: Seq[OffsetRange], groupId: String): Unit = {
 offsetRanges.foreach(range => {
 val groupTopicDirs = new ZKGroupTopicDirs(groupId, range.topic)
 val path = groupTopicDirs.consumerOffsetDir + "/" + range.partition
 zkUtils.updatePersistentPath(path, range.untilOffset.toString)
 logger.info(
 "Save offset - topic={}, partition={}, offset={}, path={}",
 Seq[AnyRef](range.topic, range.partition.toString, range.untilOffset.toString, path)
 )
 })
 }
}

这样，offset就会被存储在ZK的/consumers/[groupId]/offsets/[topic]/[partition]路径下。当初始化DirectStream时，调用readOffsets()方法获得offset。当数据处理完成后，调用saveOffsets()方法来更新ZK中的值。

其他介质

Hbase、Redis甚至Mysql也经常被用作进行offset的存储。方式和上面类似，代码可以去网上搜一搜。

需要注意的点

特别需要注意，在转换过程中不能破坏RDD分区与Kafka分区之间的映射关系。亦即像map()/mapPartitions()这样的算子是安全的，而会引起shuffle或者repartition的算子，如reduceByKey()/join()/coalesce()等等都是不安全的。

对Dstream进行窗口操作后就不能手动提交offset。因为保存offset需要HasOffsetRanges这个类。而HasOffsetRanges是KafkaRDD的一个trait，而CanCommitOffsets是DirectKafkaInputDStream的一个trait。

Scala Trait(特征) 相当于 Java 的接口，实际上它比接口还功能强大。

与接口不同的是，它还可以定义属性和方法的实现。

如下：private[spark] class KafkaRDD[K, V](
 sc: SparkContext,
 val kafkaParams: ju.Map[String, Object],
 val offsetRanges: Array[OffsetRange],
 val preferredHosts: ju.Map[TopicPartition, String],
 useConsumerCache: Boolean
) extends RDD[ConsumerRecord[K, V]](sc, Nil) with Logging with HasOffsetRanges
private[spark] class DirectKafkaInputDStream[K, V](
 _ssc: StreamingContext,
 locationStrategy: LocationStrategy,
 consumerStrategy: ConsumerStrategy[K, V],
 ppc: PerPartitionConfig
 ) extends InputDStream[ConsumerRecord[K, V]](_ssc) with Logging with CanCommitOffsets {

不能对stream对象做transformation操作之后的结果进行强制转换（会直接报ClassCastException），因为RDD与DStream的类型都改变了。只有RDD或DStream的包含类型为ConsumerRecord才行。

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