面试题：消息队列Kafka如何保证分布式系统中的高可用性和数据一致性

Question

在分布式环境中，Kafka通过什么机制来确保服务的高可用性，以及在面对节点故障等情况时，怎样维持数据的一致性，请结合ISR（In - Sync Replicas）等概念进行说明。

Answer 1

Kafka确保高可用性及维持数据一致性的机制

1. 高可用性机制
   • 多副本机制：Kafka每个Topic的分区都有多个副本，包括一个领导者副本（Leader Replica）和多个追随者副本（Follower Replica）。领导者副本负责处理该分区的所有读写请求，而追随者副本则从领导者副本复制数据，以保持数据的同步。当领导者副本所在节点发生故障时，Kafka可以从追随者副本中选举出新的领导者副本，从而确保服务的可用性。
   • ISR机制：ISR（In - Sync Replicas）是指与领导者副本保持同步的追随者副本集合。只有在ISR中的副本才被认为是与领导者副本同步的。Kafka动态维护这个ISR集合，当某个追随者副本与领导者副本的滞后差距超过一定阈值时，它会被从ISR中移除；当它重新追上领导者副本时，又会被重新加入ISR。通过ISR机制，Kafka在处理副本同步时，只关注ISR中的副本，而不是所有追随者副本，这提高了系统的整体可用性和性能。
2. 数据一致性维持
   • 写入一致性：当生产者向Kafka写入消息时，领导者副本接收到消息后，会等待ISR中的所有副本都成功复制该消息，才会向生产者发送确认响应。这种机制保证了写入的数据在ISR中的所有副本上都存在，从而确保了数据的一致性。例如，如果设置acks = all（或acks = -1），生产者只有在所有ISR副本都确认接收到消息后才会认为写入成功。
   • 故障处理与数据恢复：当领导者副本所在节点发生故障时，Kafka会从ISR中选举出新的领导者副本。由于ISR中的副本都是与领导者副本保持同步的，新选举出的领导者副本拥有最新的数据，这样在故障恢复后，数据的一致性能够得到保证。而对于那些在故障发生时未被ISR中的副本完全复制的消息，Kafka会根据配置决定是否进行处理，例如可以选择丢弃这些消息或者等待它们被成功复制。如果是等待处理，直到这些消息被ISR中的副本完全复制后，才会重新对外提供服务，以维持数据一致性。