面试题：消息队列Kafka如何保证事务消息的一致性

Question

从Kafka的架构设计、生产者和消费者的交互等方面，分析Kafka是怎样确保事务消息的一致性，期间涉及到哪些关键的机制和技术点。

Answer 1

架构设计层面确保事务消息一致性

1. 分区与副本机制：
   • Kafka的每个主题（Topic）被划分为多个分区（Partition），每个分区可以有多个副本（Replica）。其中一个副本被指定为领导者（Leader），负责处理该分区的所有读写请求，而追随者（Follower）副本则从领导者副本同步数据。
   • 这种设计确保了数据的冗余和高可用性。在事务消息场景下，当生产者发送事务消息时，领导者副本首先接收消息并将其写入本地日志。只有当领导者副本成功写入，并且追随者副本同步完成后（通过ISR，In - Sync Replicas机制，ISR中的副本与领导者副本保持一定程度的同步），才认为消息已成功持久化。这保证了即使领导者副本出现故障，其他追随者副本也能提供一致的数据，从而确保事务消息的一致性。
2. Broker 间通信协议：
   • Kafka 使用基于TCP的二进制协议进行Broker之间的通信。这种协议高效且可靠，在事务消息传递过程中，Broker之间通过该协议进行数据同步、协调等操作。例如，当一个分区的领导者副本发生变更时，新的领导者副本需要与其他副本进行同步，确保所有副本上的数据一致。这种可靠的通信协议为事务消息一致性提供了底层保障。

生产者与消费者交互确保事务消息一致性

1. 生产者事务机制：
   • 事务开启与提交：生产者通过调用initTransactions()方法初始化事务，然后使用beginTransaction()方法开始一个事务。在事务中，生产者可以向多个分区发送消息。当所有消息发送完成后，调用commitTransaction()方法提交事务。如果在事务执行过程中出现错误，可以调用abortTransaction()方法回滚事务。
   • 幂等性：Kafka生产者支持幂等性，即生产者在重试发送消息时，不会导致重复消息写入Kafka。这是通过生产者的PID（Producer ID）和Sequence Number实现的。每个生产者实例在初始化时会被分配一个PID，每次发送消息时，会携带一个递增的Sequence Number。Kafka Broker端会缓存每个PID对应的最新Sequence Number，当接收到消息时，会验证Sequence Number，如果接收到的消息的Sequence Number小于或等于缓存的Sequence Number，则认为是重复消息，直接丢弃，从而确保了事务内消息的幂等性，保证了事务消息的一致性。
2. 消费者事务机制：
   • 事务隔离级别：Kafka消费者支持读已提交（Read - Committed）的事务隔离级别。这意味着消费者只会读取到已经成功提交事务的消息。当生产者提交一个事务后，消费者才能看到该事务中的消息。在消费者端，Kafka通过维护一个事务状态表来跟踪每个分区上事务的提交状态，只有当事务在所有分区上都成功提交后，消费者才会将该事务中的消息暴露给应用程序，从而确保消费者读取到的消息是一致的。

关键机制和技术点总结

1. ISR 机制：In - Sync Replicas机制确保了副本之间的数据同步，只有ISR中的副本同步完成，消息才被认为是已成功持久化，保证了数据的一致性和可用性。
2. 幂等性生产者：通过PID和Sequence Number实现幂等性，避免重复消息写入，保证事务内消息的一致性。
3. 事务隔离级别：读已提交的事务隔离级别，确保消费者只能读取到已提交事务的消息，保证了消费者端消息的一致性。
4. 事务状态跟踪：无论是生产者还是消费者，都需要跟踪事务的状态（开启、提交、回滚等），通过事务状态表等机制来确保事务操作的正确执行和消息的一致性。