副本机制好处
- 提供数据冗余。即使系统部分组件失效，系统依然能够继续运转，因而增加了整体可用性以及数据持久性。
- 提供高伸缩性。支持横向扩展，能够通过增加机器的方式来提升读性能，进而提高读操作吞吐量。
- 改善数据局部性。允许将数据放入与用户地理位置相近的地方，从而降低系统延时。
副本： 本质就是一个只能追加写消息的提交日志。根据 Kafka 副本机制的定义，同一个分区下的所有副本保存有相同的消息序列，这些副本分散保存在不同的 Broker 上，从而能够对抗部分 Broker 宕机带来的数据不可用。
在实际生产环境中，每台 Broker 都可能保存有各个主题下不同分区的不同副本，因此，单个 Broker 上存有成百上千个副本的现象是非常正常的。
下面一张图，它展示的是一个有 3 台 Broker 的 Kafka 集群上的副本分布情况。从这张图中，我们可以看到，主题 1 分区 0 的 3 个副本分散在 3 台 Broker 上，其他主题分区的副本也都散落在不同的 Broker 上，从而实现数据冗余。
基于领导者的副本机制的工作原理
在 Kafka 中，副本分成两类：领导者副本（Leader Replica）和追随者副本（Follower Replica）。每个分区在创建时都要选举一个副本，称为领导者副本，其余的副本自动称为追随者副本。
Kafka 的副本机制比其他分布式系统要更严格一些。在 Kafka 中，追随者副本是不对外提供服务的。这就是说，任何一个追随者副本都不能响应消费者和生产者的读写请求。所有的请求都必须由领导者副本来处理，或者说，所有的读写请求都必须发往领导者副本所在的 Broker，由该 Broker 负责处理。追随者副本不处理客户端请求，它唯一的任务就是从领导者副本异步拉取消息，并写入到自己的提交日志中，从而实现与领导者副本的同步。
当领导者副本挂掉了，或者说领导者副本所在的 Broker 宕机时，Kafka 依托于 ZooKeeper 提供的监控功能能够实时感知到，并立即开启新一轮的领导者选举，从追随者副本中选一个作为新的领导者。老 Leader 副本重启回来后，只能作为追随者副本加入到集群中。
kafka 为啥设计副本 ？
- 方便实现“Read-your-writes”
- 当你使用生产者 API 向 Kafka 成功写入消息后，马上使用消费者 API 去读取刚才生产的消息。
- 方便实现单调读（Monotonic Reads）
- 对于一个消费者用户而言，在多次消费消息时，它不会看到某条消息一会儿存在一会儿不存在。
Leader副本和Follower副本必然在不同的Broker上
ISR
ISR 中的副本都是与 Leader 同步的副本，相反，不在 ISR 中的追随者副本就被认为是与 Leader 不同步的。Leader 副本天然就在 ISR 中。也就是说，ISR 不只是追随者副本集合，它必然包括 Leader 副本。甚至在某些情况下，ISR 只有 Leader 这一个副本。
副本与leader实时同步的风险。如何判定不同步？
Broker 端参数 replica.lag.time.max.ms 参数值。 Follower 副本能够落后 Leader 副本的最长时间间隔，当前默认值是 10 秒，Follower 副本唯一的工作就是不断地从 Leader 副本拉取消息，然后写入到自己的提交日志中。如果这个同步过程的速度持续慢于 Leader 副本的消息写入速度，那么在 replica.lag.time.max.ms 时间后，此 Follower 副本就会被认为是与 Leader 副本不同步的，因此不能再放入 ISR 中。此时，Kafka 会自动收缩 ISR 集合，将该副本“踢出”ISR。倘若该副本后面慢慢地追上了 Leader 的进度，那么它是能够重新被加回 ISR 的。这也表明，ISR 是一个动态调整的集合，而非静态不变的。
既然 ISR 是可以动态调整的，那么自然就可以出现这样的情形：ISR 为空。因为 Leader 副本天然就在 ISR 中，如果 ISR 为空了，就说明 Leader 副本也“挂掉”了，Kafka 需要重新选举一个新的 Leader。可是 ISR 是空，此时该怎么选举新 Leader 呢？
Kafka 把所有不在 ISR 中的存活副本都称为非同步副本。通常来说，非同步副本落后 Leader 太多，因此，如果选择这些副本作为新 Leader，就可能出现数据的丢失。毕竟，这些副本中保存的消息远远落后于老 Leader 中的消息。在 Kafka 中，选举这种副本的过程称为 Unclean 领导者选举。Broker 端参数 unclean.leader.election.enable 控制是否允许 Unclean 领导者选举。
开启 Unclean 领导者选举可能会造成数据丢失，但好处是，它使得分区 Leader 副本一直存在，不至于停止对外提供服务，因此提升了高可用性。反之，禁止 Unclean 领导者选举的好处在于维护了数据的一致性，避免了消息丢失，但牺牲了高可用性。
Kafka在启动的时候会开启两个任务，一个任务用来定期地检查是否需要缩减或者扩大ISR集合，这个周期是replica.lag.time.max.ms的一半，默认5000ms。当检测到ISR集合中有失效副本时，就会收缩ISR集合，当检查到有Follower的HighWatermark追赶上Leader时，就会扩充ISR。
除此之外，当ISR集合发生变更的时候还会将变更后的记录缓存到isrChangeSet中，另外一个任务会周期性地检查这个Set,如果发现这个Set中有ISR集合的变更记录，那么它会在zk中持久化一个节点。然后因为Controllr在这个节点的路径上注册了一个Watcher，所以它就能够感知到ISR的变化，并向它所管理的broker发送更新元数据的请求。最后删除该路径下已经处理过的节点。
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