Kafka 客户端是如何找到 leader 分区的

在正常情况下，Kafka中的每个Topic都会有很多个分区，每个分区又会存在多个副本。在这些副本中，存在一个leader分区，而剩下的分区叫做 follower，所有对分区的读写操作都是对leader分区进行的。所以当我们向Kafka写消息或者从Kafka读取消息的时候，必须先找到对应分区的Leader及其所在的Broker地址，这样才可以进行后续的操作。本文将要介绍的就是 Kafka 是如何找到 leader 分区的。

我们知道， Kafka 是使用 Scala 语言编写的，但是其支持很多语言的客户端，包括：C/C++、PHP、Go以及Ruby等等(参见https://cwiki.apache.org/confluence/display/KAFKA/Clients)。这是为什么呢?这是因为 Kafka 内部实现了一套基于TCP层的协议，只要使用这种协议与Kafka进行通信，就可以使用很多语言来操作Kafka。

目前 Kafka 内部支持多达30多种协议，本文介绍的 Kafka 客户端是如何找到 leader 分区就涉及到 Kafka 内部的 Metadata 协议。Metadata 协议主要解决以下四种问题：

Kafka中存在哪些主题?
每个主题有几个分区?
Leader分区所在的broker地址及端口?
每个broker的地址及端口是多少?

客户端只需要构造相应的请求，并发送到Broker端，即可获取到上面四个问题的答案。整个过程如下：

客户端构造相应的请求
客户端将请求发送到Broker端
Broker端接收到请求处理，并将结果发送到客户端。

Metadata 请求协议(v0-v3版本)如下：

目前 Metadata 请求协议存在五个版本，v0-v3版本格式一致。但是这些协议存在一个问题：当 Kafka 服务器端将 auto.create.topics.enable 参数设置为 ture 时，如果我们查询的主题不存在，Kafka 将会自动创建这个主题，这很可能不是我们想要的结果。所以，基于这个问题，到了 Metadata 请求协议第五版，格式已经变化了，如下：客户端只需要构造一个 TopicMetadataRequest ，里面包括我们需要查询主题的名字(TopicNames);当然，我们可以一次查询多个主题，只需要将这些主题放进List里面即可。同时，我们还可以不传入任何主题的名字，这时候 Kafka 将会把内部所有的主题相关的信息发送给客户端。

Kafka 的 Broker 收到客户端的请求处理完之后，会构造一个 TopicMetadataResponse，并发送给客户端。TopicMetadataResponse 协议的格式如下：我们可以指定 allow_auto_topic_creation 参数来告诉 Kafka 是否需要在主题不存在的时候创建，这时候控制权就在我们了。

可以看到，相应协议里面包含了每个分区的 Leader、Replicas 以及 Isr 信息，同时还包括了Kafka 集群所有Broker的信息。如果处理出现了问题，会出现相应的错误信息码，主要包括下面几个：

而且，Metadata 协议是目前唯一一个可以向任何 Broker 发送的协议。因为任何一个 Broker 在启动之后会存储这些Metadata信息的。而且，Kafka 提供的客户端在获取到 Metadata 信息之后也会将它存储到内存中的。并且在以下几种情况会更新已经缓存下来的 Metadata 信息：

在往Kafka发送请求是收到 Not a Leader 异常;
在 meta‐data.max.age.ms 参数配置的时间过期之后。

以上两种情况 Kafka提供的客户端会自动再发送一次 Metadata 请求，这样就可以获取到更新的信息。整个过程如下：

好了，说了半天的，我们来看看程序里面如何构造 TopicMetadataRequest 以及处理 TopicMetadataResponse。

TopicMetadataRequest 是通过 SimpleConsumer 的 send 方法发送的，其返回的是 TopicMetadataResponse ，其中就包含了我们需要的信息。运行上面的程序输出如下：

上面的输出就可以看到各个分区的leader所在机器、isr以及所有replicas等信息。有一点我们需要注意，因为目前存在多个版本的 Metadata 请求协议，我们可以使用低版本的协议与高版本的Kafka集群进行通信，因为高版本的 Kafka 能够支持低版本的 Metadata 请求协议;但是我们不能使用高版本的 Metadata 请求协议与低版本的 Kafka 通信。