1. 为什么 Kafka 需要复制机制

这里以一个旅游预订网站来说明（比如飞猪），后台用 Kafka 来处理用户的预订请求。每一条用户的预订信息会作为一条消息存储到某个 topic 中。这个 topic 被分成了多个 分区（partition），而每个分区存储在一个 broker 上。

如果其中一个存放分区的 broker 挂掉了会怎样？
你会失去访问该分区数据的能力——除非你提前进行了复制。Kafka 的复制机制保证了每个分区在不同的 broker 上都有冗余副本。当某个 broker 出现故障时，Kafka 会在其他副本中选举出一个新的 leader，继续对外提供服务，从而实现零停机且不丢失数据。

2. 数据分布与复制机制

Kafka 会将 topic 拆分为多个 分区，每个分区本质上是一个日志文件，里面的消息按 offset 顺序排列。

为了实现高可用，Kafka 会把每个分区的副本分布到不同的 broker 上。副本的数量称为 replication factor（副本因子） 。如果一个 topic 的副本因子是 3，那它的每个分区都会在 3 个不同的 broker 上各保存一份。

每个分区包含：

• 1个Leader 副本：处理所有的读写请求。
• 1个或多个Follower 副本：从 leader 异步拉取数据，保持同步，一旦 leader 崩溃可以顶上。
• ISR（In-Sync Replicas）列表：当前与 leader 保持同步的所有 follower 副本。

// 假设分区 P0 的副本因子是 3，情况大概是这样的：
Partition P0  (replication factor = 3)
+----------+    +----------+    +----------+
| Broker 1 | <- | Broker 2 | <- | Broker 3 |
| Leader   |    | Follower |    | Follower |
+----------+    +----------+    +----------+

3. 故障处理

当一个 broker 出现故障时，Kafka会自动从 ISR 列表中挑选一个最新的 follower 副本升级为新的 leader。挂掉的 broker 重新上线后会自动加入 ISR，重新开始同步数据，成为 follower。

并不是所有 follower 都能被选为 leader，Kafka 只会从 ISR 中挑选，因为只有 ISR 中的副本数据和 leader 完全一致。

3.1 副本同步延迟的判断标准

Kafka 通过两个阈值来判断某个 follower 是否落后：

(1) 消息积压（Message Lag）

如果某个 follower 落后于 leader 超过 499 条消息，Kafka 会把它移出 ISR。

replica.lag.max.messages=500

(2) 时间延迟（Time Lag）

如果 follower 超过 10 秒没有从 leader 拉取数据，同样会被认为同步程度不够，并被移出 ISR。

replica.lag.time.max.ms=10000

通过调整这两个参数，可以精细控制系统对“慢副本”的容忍度。

3.2 副本滞后的原因

• 慢副本（Slow Replica）：Follower 健康但速度赶不上 leader，可能是磁盘 IO、网络带宽或 CPU 瓶颈。
• 卡死副本（Stuck Replica）：Follower 完全不拉数据，可能是 GC 暂停、死锁或者进程挂了。

常用的监控指标：

• UnderReplicatedPartitions：当前副本数不足的分区数量
• IsrShrinksPerSec：ISR 缩减的频率
• ReplicaFetcherLag：副本同步延迟

4. 生产者确认机制（acks）

Kafka 生产者通过 acks 参数决定写入成功的确认标准：

Properties props = new Properties();
props.put("acks", "all"); // 可选值: 0, 1, all

• acks=0：发后即忘，不关心 broker 是否写成功，速度最快，可靠性最低。
• acks=1：只等 leader 写入成功再确认，性能与可靠性折中。
• acks=all：等到所有 ISR 副本都写入成功后才返回，最安全，适用于关键业务，比如金融交易。

5. Kafka 如何跟踪 ISR

Kafka 的 leader 会持续监控所有 follower 的同步状态。如果某个副本长时间拉取不到数据，或者落后过多，就会被踢出 ISR。Kafka 有一个关键保证：

即便leader 在确认后立刻宕机， 只要生产者收到的确认是“所有 ISR 副本都写入成功”，那这条消息不会丢失 。

6. 如果所有副本都挂了怎么办？

这种情况比较罕见，但如果真的发生，Kafka 提供两种策略：

1. 等待 ISR 中的副本恢复（默认）：优先保证数据一致性。
2. 提升任意一个最先恢复的副本：保证可用性，但可能导致数据回滚。