1. Kafka控制器介紹
在Kafka集群中會有一個或多個broker，其中有一個broker會被選舉為控制器（Kafka Controller），它負責管理整個集群中所有分區和副本的狀態。當某個分區的leader副本（一個分區會有多個副本，其中只有leader副本對外提供讀寫服務）出現故障時，由控制器負責為該分區選舉新的leader副本。當檢測到某個分區的ISR集合發生變化時，由控制器負責通知所有broker更新其元數據信息。當為某個Topic增加分區數量時，由控制器負責分區的重新分配。
分區集合介紹：分區中的所有副本統稱為AR（Assigned Replicas）。所有與leader副本保持一定程度同步的副本（包括leader副本在內）組成ISR（In-Sync Replicas）。與leader副本同步滯后過多的副本（不包括leader副本）組成OSR（Out-of-Sync Replicas）。
leader副本負責維護和跟蹤ISR集合中所有follower副本的滯后狀態，當follower副本落后太多或失效時，leader副本會把它從ISR集合中剔除。當OSR集合中有follower副本“追上”了leader副本，那么leader副本會把它從OSR集合轉移至ISR集合。默認情況下，當leader副本發生故障時，只有在ISR集合中的副本才有資格被選舉為新的leader。
2. Kafka控制器選舉原理
Kafka中的控制器選舉工作依賴於Zookeeper，成功競選成為控制器的broker會在Zookeeper中創建/controller臨時（Ephemeral）節點，此臨時節點的內容參考如下：
{"version":1,"brokerid":0,"timestamp":"1593330804078"}
其中version與Kafka版本相關，對同一個Kafka版本來說為固定值。brokerid表示成為控制器的broker的id編號，timestamp表示競選成為控制器時的時間戳（精確到毫秒）。
在任意時刻，集群中有且只有一個控制器。每個broker啟動的時候會去嘗試讀取/controller節點的brokerid的值，如果讀取到的brokerid的值不為-1，表示已經有其他broker節點成功競選為控制器，所以當前broker就會放棄競選；如果Zookeeper中不存在/controller節點，或者這個節點的數據異常，那么就會嘗試去創建/controller節點。當前broker去創建節點的時候，也有可能有其他broker同時去嘗試創建這個節點，只有創建成功的那個broker才會成為控制器。每個broker都會在內存中保存當前控制器的brokerid值，這個值可以標識為activeControllerId。
Zookeeper中還有一個與控制器有關的/controller_epoch節點，這個節點是持久（Persistent）節點，節點中存放的是一個整型的controller_epoch值。controller_epoch值用於記錄控制器發生變更的次數，即記錄當前的控制器是第幾代控制器，我們也可以稱之為“控制器紀元”。
controller_epoch的初始值為1，即集群中的第一個控制器的紀元為1，當控制器發生變更時，每選出一個新的控制器就將該字段值加1。每個和控制器交互的請求都會攜帶controller_epoch這個字段，如果請求的controller_epoch值小於內存中的controller_epoch值，則認為這個請求是向已經過期的控制器發送的請求，那么這個請求會被認定為無效的請求。如果請求的controller_epoch值大於內存中的controller_epoch值，那么說明已經有新的控制器當選了（也就是說接收到這種請求的broker已經不再是控制器了）。由此可見，Kafka通過controller_epoch來保證控制器的唯一性，進而保證相關操作的一致性。
具備控制器身份的broker需要比其他普通的broker多一份職責，具體細節如下：
- 監聽分區的變化。
- 監聽主題的變化。
- 監聽broker相關的變化。
- 從Zookeeper中讀取獲取當前所有與主題、分區及broker有關的信息並進行相應的管理。
- 啟動並管理分區狀態機和副本狀態機。
- 更新集群的元數據信息。
當/controller節點的數據發生變化時，每個broker都會更新自身內存中保存的activeControllerId。如果broker在數據變更前是控制器，在數據變更后自身的brokerid值與新的activeControllerId值不一致，那么就需要“退位”，關閉相應的資源，比如關閉狀態機、注銷相應的監聽器等。有可能控制器由於異常而下線，造成/controller這個臨時節點被自動刪除；也有可能是其他原因將此節點刪除了。
當/controller節點被刪除時，每個broker都會進行選舉，如果broker在節點被刪除前是控制器，那么在選舉前還需要有一個“退位”的動作。如果有特殊需要，則可以手動刪除/controller節點來觸發新一輪的選舉。當然關閉控制器所對應的broker，以及手動向/controller節點寫入新的brokerid的所對應的數據，同樣可以觸發新一輪的選舉。
3. 總結
Kafka控制器選擇的流程並不復雜，但是考慮的各種邊界條件還是比較周到的，程序的健壯性比較好。有時候我們需要根據業務場景去設計或者調整某種分布式集群，Kafka控制器的選舉也可以是一個很好的借鑒，尤其是/controller_epoch的設計，考慮到了控制器可能會因為某種原因過時，保證了控制器的唯一性。
4. 參考文獻
《深入理解Kafka：核心設計與實踐原理》