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# 17 | ReplicaStateMachine：揭秘副本状态机实现原理
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你好，我是胡夕。今天我们讲副本状态机。
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前几节课，在讲Controller、TopicDeletionManager时，我反复提到副本状态机和分区状态机这两个组件。现在，你应该知道了，它们分别管理着Kafka集群中所有副本和分区的状态转换，但是，你知道副本和分区到底都有哪些状态吗？
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带着这个问题，我们用两节课的时间，重点学习下这两个组件的源码。我们先从副本状态机（ReplicaStateMachine）开始。
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## 课前导读
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坦率地说，ReplicaStateMachine不如前面的组件有名气，Kafka官网文档中甚至没有任何关于它的描述，可见，它是一个内部组件，一般用户感觉不到它的存在。因此，很多人都会有这样的错觉：既然它是外部不可见的组件，那就没有必要学习它的实现代码了。
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其实不然。弄明白副本状态机的原理，对于我们从根本上定位很多数据不一致问题是有帮助的。下面，我跟你分享一个我的真实经历。
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曾经，我们部署过一个3-Broker的Kafka集群，版本是2.0.0。假设这3个Broker是A、B和C，我们在这3个Broker上创建了一个单分区、双副本的主题。
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当时，我们发现了一个奇怪的现象：如果两个副本分别位于A和B，而Controller在C上，那么，当关闭A、B之后，ZooKeeper中会显示该主题的Leader是-1，ISR为空；但是，如果两个副本依然位于A和B上，而Controller在B上，当我们依次关闭A和B后，该主题在ZooKeeper中的Leader和ISR就变成了B。这显然和刚刚的情况不符。
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虽然这并不是特别严重的问题，可毕竟出现了数据的不一致性，所以还是需要谨慎对待。在仔细查看源码之后，我们找到了造成不一致的原因：原来，在第一种情况下，Controller会调用ReplicaStateMachine，调整该主题副本的状态，进而变更了Leader和ISR；而在第二种情况下，Controller执行了Failover，但是并未在新Controller组件初始化时进行状态转换，因而出现了不一致。
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你看，要是不阅读这部分源码，我们肯定是无法定位这个问题的原因的。总之，副本状态机代码定义了Kafka副本的状态集合，同时控制了这些状态之间的流转规则。对于想要深入了解内部原理的你来说，短小精悍的ReplicaStateMachine源码是绝对不能错过的。
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## 定义与初始化
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今天，我们要关注的源码文件是controller包下的ReplicaStateMachine.scala文件。它的代码结构非常简单，如下图所示：
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在不到500行的源文件中，代码定义了3个部分。
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* ReplicaStateMachine：副本状态机抽象类，定义了一些常用方法（如startup、shutdown等），以及状态机最重要的处理逻辑方法handleStateChanges。
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* ZkReplicaStateMachine：副本状态机具体实现类，重写了handleStateChanges方法，实现了副本状态之间的状态转换。目前，ZkReplicaStateMachine是唯一的ReplicaStateMachine子类。
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* ReplicaState：副本状态集合，Kafka目前共定义了7种副本状态。
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下面，我们看下ReplicaStateMachine及其子类ZKReplicaStateMachine在代码中是如何定义的，请看这两个代码片段：
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```
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// ReplicaStateMachine抽象类定义
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abstract class ReplicaStateMachine(controllerContext: ControllerContext) extends Logging {
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......
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}
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// ZkReplicaStateMachine具体实现类定义
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class ZkReplicaStateMachine(config: KafkaConfig,
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stateChangeLogger: StateChangeLogger,
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controllerContext: ControllerContext,
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zkClient: KafkaZkClient,
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controllerBrokerRequestBatch: ControllerBrokerRequestBatch)
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extends ReplicaStateMachine(controllerContext) with Logging {
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......
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}
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```
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ReplicaStateMachine只需要接收一个ControllerContext对象实例。在前几节课，我反复说过，ControllerContext封装了Controller端保存的所有集群元数据信息。
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ZKReplicaStateMachine的属性则多一些。如果要构造一个ZKReplicaStateMachine实例，除了ControllerContext实例，比较重要的属性还有**KafkaZkClient对象实例**和**ControllerBrokerRequestBatch实例**。前者负责与ZooKeeper进行交互；后者用于给集群Broker发送控制类请求（也就是咱们在[第12节课](https://time.geekbang.org/column/article/235904)重点讲过的LeaderAndIsrRequest、StopReplicaRequest和UpdateMetadataRequest）。
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ControllerBrokerRequestBatch对象的源码位于ControllerChannelManager.scala中，这是一个只有10行代码的类，主要的功能是将给定的Request发送给指定的Broker，你可以自行探索下它是如何发送请求的。（给你个提示：结合我们在[第12节课](https://time.geekbang.org/column/article/235904)讲到的ControllerBrokerStateInfo代码进行思考。）
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在副本状态转换操作的逻辑中，一个很重要的步骤，就是为Broker上的副本更新信息，而这是通过Controller给Broker发送请求实现的，因此，你最好了解下这里的请求发送逻辑。
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好了，学习了副本状态机类的定义，下面我们看下副本状态机是在何时进行初始化的。
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一句话总结就是，**KafkaController对象在构建的时候，就会初始化一个ZkReplicaStateMachine实例**，如下列代码所示：
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```
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val replicaStateMachine: ReplicaStateMachine = new
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ZkReplicaStateMachine(config, stateChangeLogger,
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controllerContext, zkClient,
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new ControllerBrokerRequestBatch(config, controllerChannelManager, eventManager, controllerContext, stateChangeLogger))
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```
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你可能会问：“如果一个Broker没有被选举为Controller，它也会构建KafkaController对象实例吗？”没错！所有Broker在启动时，都会创建KafkaController实例，因而也会创建ZKReplicaStateMachine实例。
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每个Broker都会创建这些实例，并不代表每个Broker都会启动副本状态机。事实上，只有在Controller所在的Broker上，副本状态机才会被启动。具体的启动代码位于KafkaController的onControllerFailover方法，如下所示：
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```
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private def onControllerFailover(): Unit = {
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......
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replicaStateMachine.startup() // 启动副本状态机
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partitionStateMachine.startup() // 启动分区状态机
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......
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}
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```
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当Broker被成功推举为Controller后，onControllerFailover方法会被调用，进而启动该Broker早已创建好的副本状态机和分区状态机。
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## 副本状态及状态管理流程
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副本状态机一旦被启动，就意味着它要行使它最重要的职责了：**管理副本状态的转换**。
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不过，在学习如何管理状态之前，我们必须要弄明白，当前都有哪些状态，以及它们的含义分别是什么。源码中的ReplicaState定义了7种副本状态。
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* NewReplica：副本被创建之后所处的状态。
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* OnlineReplica：副本正常提供服务时所处的状态。
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* OfflineReplica：副本服务下线时所处的状态。
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* ReplicaDeletionStarted：副本被删除时所处的状态。
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* ReplicaDeletionSuccessful：副本被成功删除后所处的状态。
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* ReplicaDeletionIneligible：开启副本删除，但副本暂时无法被删除时所处的状态。
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* NonExistentReplica：副本从副本状态机被移除前所处的状态。
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具体到代码而言，**ReplicaState接口及其实现对象定义了每种状态的序号，以及合法的前置状态**。我以OnlineReplica代码为例进行说明：
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```
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// ReplicaState接口
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sealed trait ReplicaState {
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def state: Byte
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def validPreviousStates: Set[ReplicaState] // 定义合法的前置状态
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}
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// OnlineReplica状态
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case object OnlineReplica extends ReplicaState {
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val state: Byte = 2
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val validPreviousStates: Set[ReplicaState] = Set(NewReplica, OnlineReplica, OfflineReplica, ReplicaDeletionIneligible)
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}
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```
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OnlineReplica的validPreviousStates属性是一个集合类型，里面包含NewReplica、OnlineReplica、OfflineReplica和ReplicaDeletionIneligible。这说明，Kafka只允许副本从刚刚这4种状态变更到OnlineReplica状态。如果从ReplicaDeletionStarted状态跳转到OnlineReplica状态，就是非法的状态转换。
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这里，我只列出了OnlineReplica。实际上，其他6种副本状态的代码逻辑也是类似的，因为比较简单，我就不一一介绍了，课下你可以对照着源码自己探索下，重点关注这些状态的validPreviousStates字段，看看每个状态合法的前置状态都有哪些。
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为了方便你记忆，我直接帮你提炼了出来了。这张图绘制出了完整的状态转换规则：
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图中的单向箭头表示只允许单向状态转换，双向箭头则表示转换方向可以是双向的。比如，OnlineReplica和OfflineReplica之间有一根双向箭头，这就说明，副本可以在OnlineReplica和OfflineReplica状态之间随意切换。
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结合这张图，我再详细解释下各个状态的含义，以及它们的流转过程。
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当副本对象首次被创建出来后，它会被置于NewReplica状态。经过一番初始化之后，当副本对象能够对外提供服务之后，状态机会将其调整为OnlineReplica，并一直以该状态持续工作。
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如果副本所在的Broker关闭或者是因为其他原因不能正常工作了，副本需要从OnlineReplica变更为OfflineReplica，表明副本已处于离线状态。
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一旦开启了如删除主题这样的操作，状态机会将副本状态跳转到ReplicaDeletionStarted，以表明副本删除已然开启。倘若删除成功，则置为ReplicaDeletionSuccessful，倘若不满足删除条件（如所在Broker处于下线状态），那就设置成ReplicaDeletionIneligible，以便后面重试。
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当副本对象被删除后，其状态会变更为NonExistentReplica，副本状态机将移除该副本数据。
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这就是一个基本的状态管理流程。
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## 具体实现类：ZkReplicaStateMachine
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了解了这些状态之后，我们来看下ZkReplicaStateMachine类的原理，毕竟，它是副本状态机的具体实现类。
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该类定义了1个public方法和7个private方法。这个public方法是副本状态机最重要的逻辑处理代码，它就是handleStateChanges方法。而那7个方法全部都是用来辅助public方法的。
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### 状态转换方法定义
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在详细介绍handleStateChanges方法前，我稍微花点时间，给你简单介绍下其他7个方法都是做什么用的。就像前面说过的，这些方法主要是起辅助的作用。只有清楚了这些方法的用途，你才能更好地理解handleStateChanges的实现逻辑。
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* logFailedStateChange：仅仅是记录一条错误日志，表明执行了一次无效的状态变更。
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* logInvalidTransition：同样也是记录错误之用，记录一次非法的状态转换。
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* logSuccessfulTransition：记录一次成功的状态转换操作。
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* getTopicPartitionStatesFromZk：从ZooKeeper中获取指定分区的状态信息，包括每个分区的Leader副本、ISR集合等数据。
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* doRemoveReplicasFromIsr：把给定的副本对象从给定分区ISR中移除。
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* removeReplicasFromIsr：调用doRemoveReplicasFromIsr方法，实现将给定的副本对象从给定分区ISR中移除的功能。
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* doHandleStateChanges：执行状态变更和转换操作的主力方法。接下来，我们会详细学习它的源码部分。
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### handleStateChanges方法
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handleStateChange方法的作用是处理状态的变更，是对外提供状态转换操作的入口方法。其方法签名如下：
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```
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def handleStateChanges(replicas: Seq[PartitionAndReplica], targetState: ReplicaState): Unit
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```
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该方法接收两个参数：**replicas**是一组副本对象，每个副本对象都封装了它们各自所属的主题、分区以及副本所在的Broker ID数据；**targetState**是这组副本对象要转换成的目标状态。
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这个方法的完整代码如下：
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```
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override def handleStateChanges(
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replicas: Seq[PartitionAndReplica],
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targetState: ReplicaState): Unit = {
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if (replicas.nonEmpty) {
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try {
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// 清空Controller待发送请求集合
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controllerBrokerRequestBatch.newBatch()
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// 将所有副本对象按照Broker进行分组，依次执行状态转换操作
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replicas.groupBy(_.replica).foreach {
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case (replicaId, replicas) =>
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doHandleStateChanges(replicaId, replicas, targetState)
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}
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// 发送对应的Controller请求给Broker
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controllerBrokerRequestBatch.sendRequestsToBrokers(
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controllerContext.epoch)
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} catch {
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// 如果Controller易主，则记录错误日志然后抛出异常
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case e: ControllerMovedException =>
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error(s"Controller moved to another broker when moving some replicas to $targetState state", e)
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throw e
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case e: Throwable => error(s"Error while moving some replicas to $targetState state", e)
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}
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}
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}
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```
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代码逻辑总体上分为两步：第1步是调用doHandleStateChanges方法执行真正的副本状态转换；第2步是给集群中的相应Broker批量发送请求。
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在执行第1步的时候，它会将replicas按照Broker ID进行分组。
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举个例子，如果我们使用<主题名，分区号，副本Broker ID>表示副本对象，假设replicas为集合（<test, 0, 0>, <test, 0, 1>, <test, 1, 0>, <test, 1, 1>），那么，在调用doHandleStateChanges方法前，代码会将replicas按照Broker ID进行分组，即变成：Map(0 -> Set(<test, 0, 0>, <test, 1, 0>)，1 -> Set(<test, 0, 1>, <test, 1, 1>))。
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待这些都做完之后，代码开始调用doHandleStateChanges方法，执行状态转换操作。这个方法看着很长，其实都是不同的代码分支。
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### doHandleStateChanges方法
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我先用一张图，帮你梳理下它的流程，然后再具体分析下它的代码：
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从图中，我们可以发现，代码的第1步，会尝试获取给定副本对象在Controller端元数据缓存中的当前状态，如果没有保存某个副本对象的状态，代码会将其初始化为NonExistentReplica状态。
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第2步，代码根据不同ReplicaState中定义的合法前置状态集合以及传入的目标状态（targetState），将给定的副本对象集合划分成两部分：能够合法转换的副本对象集合，以及执行非法状态转换的副本对象集合。doHandleStateChanges方法会为后者中的每个副本对象记录一条错误日志。
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第3步，代码携带能够执行合法转换的副本对象集合，进入到不同的代码分支。由于当前Kafka为副本定义了7类状态，因此，这里的代码分支总共有7路。
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我挑选几路最常见的状态转换路径详细说明下，包括副本被创建时被转换到NewReplica状态，副本正常工作时被转换到OnlineReplica状态，副本停止服务后被转换到OfflineReplica状态。至于剩下的记录代码，你可以在课后自行学习下，它们的转换操作原理大致是相同的。
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#### 第1路：转换到NewReplica状态
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首先，我们先来看第1路，即目标状态是NewReplica的代码。代码如下：
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```
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case NewReplica =>
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// 遍历所有能够执行转换的副本对象
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validReplicas.foreach { replica =>
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// 获取该副本对象的分区对象，即<主题名，分区号>数据
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val partition = replica.topicPartition
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// 获取副本对象的当前状态
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val currentState = controllerContext.replicaState(replica)
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// 尝试从元数据缓存中获取该分区当前信息
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// 包括Leader是谁、ISR都有哪些副本等数据
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controllerContext.partitionLeadershipInfo.get(partition) match {
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// 如果成功拿到分区数据信息
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case Some(leaderIsrAndControllerEpoch) =>
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// 如果该副本是Leader副本
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if (leaderIsrAndControllerEpoch.leaderAndIsr.leader == replicaId) {
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val exception = new StateChangeFailedException(s"Replica $replicaId for partition $partition cannot be moved to NewReplica state as it is being requested to become leader")
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// 记录错误日志。Leader副本不能被设置成NewReplica状态
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logFailedStateChange(replica, currentState, OfflineReplica, exception)
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// 否则，给该副本所在的Broker发送LeaderAndIsrRequest
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// 向它同步该分区的数据, 之后给集群当前所有Broker发送
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// UpdateMetadataRequest通知它们该分区数据发生变更
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} else {
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controllerBrokerRequestBatch
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.addLeaderAndIsrRequestForBrokers(
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Seq(replicaId),
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replica.topicPartition,
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leaderIsrAndControllerEpoch,
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controllerContext.partitionFullReplicaAssignment(
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replica.topicPartition),
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isNew = true)
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if (traceEnabled)
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logSuccessfulTransition(
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stateLogger, replicaId,
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partition, currentState, NewReplica)
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// 更新元数据缓存中该副本对象的当前状态为NewReplica
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controllerContext.putReplicaState(replica, NewReplica)
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}
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// 如果没有相应数据
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case None =>
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if (traceEnabled)
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logSuccessfulTransition(
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stateLogger, replicaId,
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|
partition, currentState, NewReplica)
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// 仅仅更新元数据缓存中该副本对象的当前状态为NewReplica即可
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|
controllerContext.putReplicaState(replica, NewReplica)
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|
}
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|
}
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```
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看完了代码，你可以再看下这张流程图：
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这一路主要做的事情是，尝试从元数据缓存中，获取这些副本对象的分区信息数据，包括分区的Leader副本在哪个Broker上、ISR中都有哪些副本，等等。
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如果找不到对应的分区数据，就直接把副本状态更新为NewReplica。否则，代码就需要给该副本所在的Broker发送请求，让它知道该分区的信息。同时，代码还要给集群所有运行中的Broker发送请求，让它们感知到新副本的加入。
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#### 第2路：转换到OnlineReplica状态
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下面我们来看第2路，即转换副本对象到OnlineReplica。
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刚刚我说过，这是副本对象正常工作时所处的状态。我们来看下要转换到这个状态，源码都做了哪些事情：
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```
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case OnlineReplica =>
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validReplicas.foreach { replica =>
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// 获取副本所在分区
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val partition = replica.topicPartition
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// 获取副本当前状态
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val currentState = controllerContext.replicaState(replica)
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currentState match {
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// 如果当前状态是NewReplica
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case NewReplica =>
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// 从元数据缓存中拿到分区副本列表
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val assignment = controllerContext
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.partitionFullReplicaAssignment(partition)
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// 如果副本列表不包含当前副本，视为异常情况
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if (!assignment.replicas.contains(replicaId)) {
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error(s"Adding replica ($replicaId) that is not part of the assignment $assignment")
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// 将该副本加入到副本列表中，并更新元数据缓存中该分区的副本列表
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val newAssignment = assignment.copy(
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replicas = assignment.replicas :+ replicaId)
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controllerContext.updatePartitionFullReplicaAssignment(
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partition, newAssignment)
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}
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// 如果当前状态是其他状态
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case _ =>
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// 尝试获取该分区当前信息数据
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controllerContext.partitionLeadershipInfo
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.get(partition) match {
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// 如果存在分区信息
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// 向该副本对象所在Broker发送请求，令其同步该分区数据
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case Some(leaderIsrAndControllerEpoch) =>
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controllerBrokerRequestBatch
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.addLeaderAndIsrRequestForBrokers(Seq(replicaId),
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replica.topicPartition,
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leaderIsrAndControllerEpoch,
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controllerContext
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|
.partitionFullReplicaAssignment(partition),
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isNew = false)
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case None =>
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|
}
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|
}
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if (traceEnabled)
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logSuccessfulTransition(
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stateLogger, replicaId,
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partition, currentState, OnlineReplica)
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// 将该副本对象设置成OnlineReplica状态
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controllerContext.putReplicaState(replica, OnlineReplica)
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|
}
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```
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我同样使用一张图来说明：
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代码依然会对副本对象进行遍历，并依次执行下面的几个步骤。
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* 第1步，获取元数据中该副本所属的分区对象，以及该副本的当前状态。
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* 第2步，查看当前状态是否是NewReplica。如果是，则获取分区的副本列表，并判断该副本是否在当前的副本列表中，假如不在，就记录错误日志，并更新元数据中的副本列表；如果状态不是NewReplica，就说明，这是一个已存在的副本对象，那么，源码会获取对应分区的详细数据，然后向该副本对象所在的Broker发送LeaderAndIsrRequest请求，令其同步获知，并保存该分区数据。
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* 第3步，将该副本对象状态变更为OnlineReplica。至此，该副本处于正常工作状态。
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#### 第3路：转换到OfflineReplica状态
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最后，再来看下第3路分支。这路分支要将副本对象的状态转换成OfflineReplica。我依然以代码注释的方式给出主要的代码逻辑：
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```
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case OfflineReplica =>
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validReplicas.foreach { replica =>
|
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|
// 向副本所在Broker发送StopReplicaRequest请求，停止对应副本
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controllerBrokerRequestBatch
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|
.addStopReplicaRequestForBrokers(Seq(replicaId),
|
|
|
replica.topicPartition, deletePartition = false)
|
|
|
}
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|
// 将副本对象集合划分成有Leader信息的副本集合和无Leader信息的副本集合
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val (replicasWithLeadershipInfo, replicasWithoutLeadershipInfo) =
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validReplicas.partition { replica =>
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controllerContext.partitionLeadershipInfo
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.contains(replica.topicPartition)
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}
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// 对于有Leader信息的副本集合而言从，
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// 它们对应的所有分区中移除该副本对象并更新ZooKeeper节点
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val updatedLeaderIsrAndControllerEpochs =
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removeReplicasFromIsr(replicaId,
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replicasWithLeadershipInfo.map(_.topicPartition))
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// 遍历每个更新过的分区信息
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updatedLeaderIsrAndControllerEpochs.foreach {
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case (partition, leaderIsrAndControllerEpoch) =>
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stateLogger.info(s"Partition $partition state changed to $leaderIsrAndControllerEpoch after removing replica $replicaId from the ISR as part of transition to $OfflineReplica")
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// 如果分区对应主题并未被删除
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if (!controllerContext.isTopicQueuedUpForDeletion(
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partition.topic)) {
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// 获取该分区除给定副本以外的其他副本所在的Broker
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val recipients = controllerContext
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.partitionReplicaAssignment(partition)
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.filterNot(_ == replicaId)
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// 向这些Broker发送请求更新该分区更新过的分区LeaderAndIsr数据
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controllerBrokerRequestBatch.addLeaderAndIsrRequestForBrokers(
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recipients,
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partition,
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leaderIsrAndControllerEpoch,
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controllerContext.partitionFullReplicaAssignment(partition),
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isNew = false)
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}
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val replica = PartitionAndReplica(partition, replicaId)
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val currentState = controllerContext.replicaState(replica)
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if (traceEnabled)
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logSuccessfulTransition(stateLogger, replicaId,
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partition, currentState, OfflineReplica)
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// 设置该分区给定副本的状态为OfflineReplica
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controllerContext.putReplicaState(replica, OfflineReplica)
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}
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// 遍历无Leader信息的所有副本对象
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replicasWithoutLeadershipInfo.foreach { replica =>
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val currentState = controllerContext.replicaState(replica)
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if (traceEnabled)
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logSuccessfulTransition(stateLogger, replicaId,
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replica.topicPartition, currentState, OfflineReplica)
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// 向集群所有Broker发送请求，更新对应分区的元数据
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controllerBrokerRequestBatch.addUpdateMetadataRequestForBrokers(
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controllerContext.liveOrShuttingDownBrokerIds.toSeq,
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Set(replica.topicPartition))
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// 设置该分区给定副本的状态为OfflineReplica
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controllerContext.putReplicaState(replica, OfflineReplica)
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}
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```
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我依然用一张图来说明它的执行流程：
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首先，代码会给所有符合状态转换的副本所在的Broker，发送StopReplicaRequest请求，显式地告诉这些Broker停掉其上的对应副本。Kafka的副本管理器组件（ReplicaManager）负责处理这个逻辑。后面我们会用两节课的时间专门讨论ReplicaManager的实现，这里你只需要了解，StopReplica请求被发送出去之后，这些Broker上对应的副本就停止工作了。
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其次，代码根据分区是否保存了Leader信息，将副本集合划分成两个子集：有Leader副本集合和无Leader副本集合。有无Leader信息并不仅仅包含Leader，还有ISR和controllerEpoch等数据。不过，你大致可以认为，副本集合是根据有无Leader进行划分的。
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接下来，源码会遍历有Leader的子集合，向这些副本所在的Broker发送LeaderAndIsrRequest请求，去更新停止副本操作之后的分区信息，再把这些分区状态设置为OfflineReplica。
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最后，源码遍历无Leader的子集合，执行与上一步非常类似的操作。只不过，对于无Leader而言，因为我们没有执行任何Leader选举操作，所以给这些副本所在的Broker发送的就不是LeaderAndIsrRequest请求了，而是UpdateMetadataRequest请求，显式去告知它们更新对应分区的元数据即可，然后再把副本状态设置为OfflineReplica。
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从这段描述中，我们可以知道，把副本状态变更为OfflineReplica的主要逻辑，其实就是停止对应副本+更新远端Broker元数据的操作。
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## 总结
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今天，我们重点学习了Kafka的副本状态机实现原理，还仔细研读了这部分的源码。我们简单回顾一下这节课的重点。
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* 副本状态机：ReplicaStateMachine是Kafka Broker端源码中控制副本状态流转的实现类。每个Broker启动时都会创建ReplicaStateMachine实例，但只有Controller组件所在的Broker才会启动它。
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* 副本状态：当前，Kafka定义了7类副本状态。同时，它还规定了每类状态合法的前置状态。
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* handleStateChanges：用于执行状态转换的核心方法。底层调用doHandleStateChanges方法，以7路case分支的形式穷举每类状态的转换逻辑。
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下节课，我将带你学习Kafka中另一类著名的状态机：分区状态机。掌握了这两个状态机，你就能清楚地知道Kafka Broker端管理分区和副本对象的完整流程和手段了。事实上，弄明白了这两个组件之后，Controller负责主题方面的所有工作内容基本上都不会难倒你了。
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## 课后讨论
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请尝试分析doHandleStateChanges方法中最后一路分支的代码。
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欢迎你在留言区写下你的思考和答案，跟我交流讨论，也欢迎你把今天的内容分享给你的朋友。
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