PartitionStateMachine分区状态转换实现

1 我为何读这源码？

PartitionStateMachine，分区状态机负责管理Kafka分区状态的转换，类似ReplicaStateMachine。

很多面试官都爱问Leader选举策略。学完本文，你不但能说出4种Leader选举场景，还能总结出它们的共性。

2 简介

• PartitionStateMachine：定义如startup、shutdown公共方法及处理分区状态转换入口方法handleStateChanges的签名
• ZkPartitionStateMachine：PartitionSM目前唯一子类，实现分区状态机的主体逻辑功能。类似ZkReplicaStateMachine，重写了父类的handleStateChanges，和私有的doHandleStateChanges协作完成分区状态转换
• PartitionState接口及其实现对象：定义4类分区状态及相互流转关系
• PartitionLeaderElectionStrategy接口及其实现对象：定义4类分区Leader选举策略，发生Leader选举的4种场景
• PartitionLeaderElectionAlgorithms：分区Leader选举的算法实现。既然定义了4类选举策略，就一定有相应的实现代码，PartitionLeaderElectionAlgorithms就提供了这4类选举策略的实现代码。

3 类定义与字段

类似ReplicaSM：

类定义一样！尤其是ZkPartitionSM和ZKReplicaSM，所接收字段列表都一致。所以功能其实也差不多。

同理，ZkPartitionSM实例的创建和启动时机也和ZkReplicaSM完全相同：每个Broker进程启动时，会在创建KafkaController对象的过程中，生成ZkPartitionSM实例，而只有Controller组件所在Broker，才会启动分区状态机。

每个Broker启动时，都会创建对应分区状态机和副本状态机实例，但只有Controller所在的Broker才会启动它们。若Controller变更到其他Broker：

• 老Controller所在Broker要调用这些状态机的shutdown方法关闭它们
• 新Controller所在的Broker调用状态机的startup方法启动它们

4 分区状态

PartitionState定义了分区的状态空间及流转规则，以OnlinePartition态为例：

分区状态枚举

• NewPartition：分区被创建后被设置成这个状态，表明是全新的分区对象，Kafka认为是“未初始化”的初生牛犊子，因此不能竞选Leader
• OnlinePartition：分区正式提供服务时所处态
• OfflinePartition：分区下线后所处态
• NonExistentPartition：分区被删除，并且从分区状态机移除后所处态

分区状态转换规则

OnlinePartition和OfflinePartition都有一根箭头指向自己，表明OnlinePartition切换到OnlinePartition的操作是允许的。当分区Leader选举发生的时候，就可能出现。

5 分区Leader选举场景

分区Leader选举，PartitionStateMachine的特有功能。每个分区都得选举出Leader，才能正常提供服务。因此，对于分区，Leader副本很重要。所以必须熟悉Leader选举的流程实现。

Kafka定义了哪些推选策略，何时执行Leader选举？

5.1 PartitionLeaderElectionStrategy

分区Leader选举：为Kafka主题的某个分区推选Leader副本，当前分区Leader选举有如下场景：

5.2 PartitionLeaderElectionAlgorithms

针对以上场景，分区状态机的PartitionLeaderElectionAlgorithms定义如下方法分别负责为每种场景选举Leader副本：

• offlinePartitionLeaderElection；
• reassignPartitionLeaderElection；
• preferredReplicaPartitionLeaderElection；
• controlledShutdownPartitionLeaderElection。

其中属offlinePartitionLeaderElection最复杂：

该方法接收如下参数：

1.assignments

分区的副本列表：Assigned Replicas，AR。创建主题后，使用kafka-topics脚本查看主题时，可见Replicas列数据：主题下每个分区的AR。assignments参数类型是Seq[Int]，说明AR有序，不一定和ISR顺序相同

2.isr

保存了分区所有与Leader副本保持同步的副本列表。Leader副本自己也在ISR中。作为Seq[Int]类型的变量，isr自身也是有顺序的。

3.liveReplicas

保存该分区下所有存活状态的副本。

• 怎知副本是否存活？

根据Controller元数据缓存中的数据。所有在运行中的Broker上的副本，都认为是活的。

4.uncleanLeaderElectionEnabled

默认只要不是由AdminClient发起的Leader选举，该参数为false：Kafka不允许执行Unclean Leader选举。

Unclean Leader选举：在ISR列表为空时，Kafka选择一个非ISR副本作为新Leader。由于存在丢数据风险，Broker端参数unclean.leader.election.enable默认值为false，禁掉Unclean Leader选举。

2.4.0.0版本正式支持在AdminClient端为给定分区选举Leader：若Leader选举由AdminClient触发，默认开启Unclean Leader选举。

5.3 具体流程

顺序搜索AR列表，将第一个满足如下条件的副本作为新Leader返回：

• 该副本为存活状态，即副本所在Broker依然在运行中
• 该副本在ISR列表

若找不到这样的副本，检查是否开启Unclean Leader选举：

• 若开启，则降低标准，只要满足上面第一个条件
• 若未开启，则本次Leader选举失败，无新Leader被选出

其它选举策略几乎相同，都是从AR或给定副本列表中寻找存活状态的ISR副本。

所以Kafka为分区选举Leader就是：AR列表（或给定副本列表）中首个处于存活状态，且在ISR列表的副本。

6 分区状态转换

PartitionSM的工作原理。

handleStateChanges

入口方法签名：

1. 调用doHandleStateChanges执行分区状态转换

包含确认哪些Broker属于下一步的相关Broker，给Broker发送哪些请求

1. Controller给相关Broker发送请求，告知它们这些分区的状态变更

重点还是

doHandleStateChanges

• 首先状态初始化，即在方法调用时，不在【元数据缓存】中的所有分区的状态被初始化为NonExistentPartition
• 然后，检查哪些分区执行的状态转换非法&&记录错误日志
• 据合法状态转换的分区列表，进入case分支。分区状态只有4个，其case分支代码远比ReplicaSM的简单，且只有OnlinePartition分支较复杂，其余3路仅是将分区状态置成目标状态

重点看OnlinePartition分支：

• 初始化NewPartition态的分区，即在zk中，创建并写入分区节点数据。

节点位置：/brokers/topics/<topic>/partitions/<partition>，每个节点都要包含分区的Leader和ISR。

Leader和ISR的确定规则：

• 选择存活副本列表的第一个副本作为Leader
• 选择存活副本列表作为ISR

详见initializeLeaderAndIsrForPartitions：

1. 为具备Leader选举资格的分区推选Leader，调用electLeaderForPartitions实现：不断尝试为多个分区选举Leader，直到所有分区都成功选出Leader。

选举Leader的核心代码：

doElectLeaderForPartitions

大体分为如下步骤：

1. 从zk获取给定分区的Leader、ISR信息，将结果封装进validLeaderAndIsrs：

1. 开始选举Leader，并根据有无Leader将分区进行分区

根据给定的PartitionLeaderElectionStrategy，调用PartitionLeaderElectionAlgorithms的不同方法执行Leader选举，同时，区分出成功选举Leader和未选出Leader的分区。

4种不同策略定义了4个专属方法执行Leader选举。选择Leader的规则：副本集合中首个存活&&处于ISR中的副本。

1. 更新zk节点数据及Controller端元数据缓存信息：

联想到handleStateChanges的step2是Controller给相关的Broker发送请求：

7 总结

本文深入研究了Kafka分区状态机的构造原理和工作机制。

Kafka目前提供4种Leader选举策略：

• 分区下线后的Leader选举
• 分区执行副本重分配时的Leader选举
• 分区执行Preferred副本Leader选举
• Broker下线时的分区Leader选举

这4类选举策略在选择Leader上，几乎都是选择当前副本有序集合中的、首个处于ISR集合中的存活副本作为新Leader。

PartitionSM是Kafka Controller端定义的分区状态机，负责定义、维护和管理合法的分区状态转换。每个Broker启动时都会实例化一个分区状态机对象，但只有Controller所在的Broker才会启动它。

Kafka分区有4类状态：

• NewPartition

未初始化状态，处于该状态下的分区尚不具备选举Leader的资格

• OnlinePartition

分区正常工作时的状态

• OfflinePartition
• NonExistentPartition

Leader选举有4类场景：

• Offline
• Reassign
• Preferrer Leader Election
• ControlledShutdown

每类场景都对应于一种特定的Leader选举策略。handleStateChanges是入口方法，内部调用doHandleStateChanges执行实际Leader选举功能