面试题：消息队列Kafka中多副本一致性协议下，ISR集合的作用是什么？

Question

在Kafka基于多副本一致性协议的架构中，请详细阐述ISR（In - Sync Replicas）集合的定义、构成以及它在保障数据一致性和高可用性方面起到的关键作用。

Answer 1

ISR集合的定义

ISR（In - Sync Replicas）即同步副本集合，是指在Kafka集群中，与领导者副本（Leader Replica）保持“同步”状态的一组副本。这里的“同步”意味着这些副本能够及时从领导者副本复制数据，其滞后程度在可接受的范围内。

ISR集合的构成

1. 领导者副本：每个分区都有一个领导者副本，它负责处理该分区的所有读写请求。同时，领导者副本会将接收到的消息同步给ISR中的其他副本。
2. 跟随者副本：ISR中的跟随者副本从领导者副本拉取消息并写入自身的日志。如果跟随者副本能够及时跟上领导者副本的进度，即其滞后的消息数量在一定阈值内，就会被包含在ISR集合中。判断副本是否“同步”的主要依据通常是副本落后领导者副本的消息条数或者时间间隔。例如，如果一个副本落后领导者副本的消息数超过一定数量，或者在一定时间内没有从领导者副本拉取新消息，那么该副本就可能被移出ISR集合。

ISR集合在保障数据一致性和高可用性方面的关键作用

1. 数据一致性
   • 确保消息顺序：ISR中的副本严格按照领导者副本的消息顺序进行复制。这保证了消费者从不同副本读取数据时，看到的消息顺序是一致的，从而维护了数据的顺序一致性。
   • 防止数据丢失：当领导者副本发生故障时，Kafka会从ISR集合中选举新的领导者副本。由于ISR中的副本与领导者副本保持同步，新选举的领导者副本中包含了绝大多数已提交的消息，从而避免了因领导者故障导致的数据丢失。只有ISR中的副本全部不可用时，才可能出现数据丢失的情况，但这种情况相对罕见。
2. 高可用性
   • 快速故障转移：当领导者副本出现故障时，Kafka可以快速从ISR集合中选择一个副本作为新的领导者。因为ISR中的副本与领导者副本状态同步，所以能够迅速接管领导者的工作，继续处理读写请求，减少服务中断时间，保障了系统的高可用性。
   • 负载均衡：ISR中的副本可以分担部分读请求，特别是在需要读取大量历史数据时，可以将读请求分发到跟随者副本上，减轻领导者副本的负载，提高整个集群的读写性能，进一步增强系统的可用性。