Zookeeper

最新推荐文章于 2025-03-12 20:55:32 发布

韩宇TEL

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文章标签： zookeeper

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/java_hanyu_tel/article/details/79415987

1.什么是zookeeper？

zookeeper是一个分布式的，开源的分布式应用程序协调服务，是Google的Chubby的一个开源实现，它是集群的管理者。

zookeeper是一个基于观察者模式设计的分布式服务管理框架，它负责存储和管理大家都关心的数据，然后接受他们的注册，一旦这些数据的状态发生变化，zookeeper就将负责通知已经在zookeeper上注册的那些观察者做出相应的反应，从而实现集群中类似Master/Slave管理模式

zookeeper=文件系统+通知机制

2.zookeeper能干什么

1.命名服务 2.配置管理 3.集群管理 4.分布式锁 5.负载均衡 6.与dubbo整合 7.队列

3.zookeeper的文件系统

zookeeper维护着一个类似文件系统的数据结构。ZooKeeper数据模型的结构与Unix文件系统很类似，整体上可以看作是一棵树，每个节点称做一个ZNode。很显然zookeeper集群自身维护了一套数据结构。这个存储结构是一个树形结构，其上的每一个节点，我们称之为"znode"，每一个znode默认能够存储1MB的数据，每个ZNode都可以通过其路径唯一标识

zookeeper中有四种类型的znode：

1、PERSISTENT-持久化目录节点

客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在

2、PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化顺序编号目录节点

客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号

3、EPHEMERAL-临时目录节点

客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除

4、EPHEMERAL_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点

客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号

Znode的数据模型：

Znode维护了一个stat结构，这个stat包含数据变化的版本号、访问控制列表变化、还有时间戳。版本号和时间戳一起，可让Zookeeper验证缓存和协调更新。每次znode的数据发生了变化，版本号就增加。例如，无论何时客户端检索数据，它也一起检索数据的版本号。并且当客户端执行更新或删除时，客户端必须提供他正在改变的znode的版本号。如果它提供的版本号和真实的数据版本号不一致，更新将会失败。

ZooKeeper的Stat结构体：
czxid- 引起这个znode创建的zxid，创建节点的事务的zxid（ZooKeeper Transaction Id）
ctime - znode被创建的毫秒数(从1970年开始)
mzxid - znode最后更新的zxid
mtime - znode最后修改的毫秒数(从1970年开始)
pZxid-znode最后更新的子节点zxid
cversion - znode子节点变化号，znode子节点修改次数
dataversion - znode数据变化号
aclVersion - znode访问控制列表的变化号
ephemeralOwner- 如果是临时节点，这个是znode拥有者的session id。如果不是临时节点则是0。
dataLength- znode的数据长度

numChildren - znode子节点数量

  小总结：
    zookeeper内部维护了一套类似UNIX的树形数据结构：由znode构成的集合，
    znode的集合又是一个树形结构，
    每一个znode又有很多属性进行描述。 Znode = path+nodeValue + Stat

4.zookeeper的通知机制

客户端注册监听它关心的目录节点，当目录节点发生变化（数据改变、被删除、子目录节点增加删除）时，zookeeper会通知客户端。

数据有了变化时zkserver向客户端发送一个watch,它是一次性的动作，即触发一次就不再有效，类似一次性纸杯。只监控一次如果想继续Watch的话，需要客户端重新设置Watcher。因此如果你得到一个watch事件且想在将来的变化得到通知，必须新设置另一个watch。

Watches是异步发往客户端的，Zookeeper提供一个顺序保证：在看到watch事件之前绝不会看到变化，这样不同客户端看到的是一致性的顺序。

节点有不同的改动方式。可以认为ZooKeeper维护两个观察列表：数据观察和子节点观察。getData()和exists()设置数据观察。getChildren()设置子节点观察。此外，还可以认为不同的返回数据有不同的观察。getData()和exists()返回节点的数据，而getChildren()返回子节点列表。所以，setData()将为znode触发数据观察。成功的create()将为新创建的节点触发数据观察，为其父节点触发子节点观察。成功的delete()将会为被删除的节点触发数据观察以及子节点观察（因为节点不能再有子节点了），为其父节点触发子节点观察。

关于watches，Zookeeper维护这些保证：
（1）Watches和其他事件、watches和异步恢复都是有序的。Zookeeper客户端保证每件事都是有序派发
（2）客户端在看到新数据之前先看到watch事件
（3）对应更新顺序的watches事件顺序由Zookeeper服务所见

5.zookeeper的功能详解

1.zookeeper的命名服务

在zookeeper的文件系统里创建一个目录，即有唯一的path。在我们无法确定上游程序的部署机器时即可与下游程序约定好path，通过path即能互相探索发现。

2.zookeeper的配置管理

程序总是需要配置的，如果将程序分散部署到多台机器上，当某项配置需要更改，就要逐个改变配置。现在把这些配置放到zookeeper上，保存在zookeeper的某个目录节点中，然后所有相关应用程序对这个目录节点进行监听，一旦配置信息发生变化，每个应用程序就会收到zookeeper的通知，然后从zookeeper获取心的配置信息应用到程序中就好

3.zookeeper的集群管理

器群管理主要就亮点：是否有及其加入或退出、选举Leader

第一点：可以所有的及其约定在父目录Members下创建临时的目录节点，然后监听目录节点的变化信息。一旦有及其挂掉，该机对应的节点就会被删除，其他及其就会收到通知。加入也是一样的。

第二点：可以对比多个临时节点的编号，每次选取最小编号为leader即可

4.分布式锁

锁服务可以分为两类，一个是保持独占，另一个是控制时序。

对于第一类，我们将zookeeper上的一个znode看作是一把锁，通过createznode的方式来实现。所有客户端都去创建 /distribute_lock 节点，最终成功创建的那个客户端也即拥有了这把锁。用完删除掉自己创建的distribute_lock 节点就释放出锁。

对于第二类， /distribute_lock 已经预先存在，所有客户端在它下面创建临时顺序编号目录节点，和选master一样，编号最小的获得锁，用完删除，依次方便。

5.队列管理

两种类型的队列：

1、同步队列，当一个队列的成员都聚齐时，这个队列才可用，否则一直等待所有成员到达。

2、队列按照 FIFO 方式进行入队和出队操作。

第一类，在约定目录下创建临时目录节点，监听节点数目是否是我们要求的数目。

第二类，和分布式锁服务中的控制时序场景基本原理一致，入列有编号，出列按编号。

6.分布式与数据复制

Zookeeper作为一个集群提供一致的数据服务，自然，它要在所有机器间做数据复制。数据复制的好处：

1、容错：一个节点出错，不致于让整个系统停止工作，别的节点可以接管它的工作；

2、提高系统的扩展能力：把负载分布到多个节点上，或者增加节点来提高系统的负载能力；

3、提高性能：让客户端本地访问就近的节点，提高用户访问速度。

从客户端读写访问的透明度来看，数据复制集群系统分下面两种：

1、写主(WriteMaster) ：对数据的修改提交给指定的节点。读无此限制，可以读取任何一个节点。这种情况下客户端需要对读与写进行区别，俗称读写分离；

2、写任意(Write Any)：对数据的修改可提交给任意的节点，跟读一样。这种情况下，客户端对集群节点的角色与变化透明。

对zookeeper来说，它采用的方式是写任意。通过增加机器，它的读吞吐能力和响应能力扩展性非常好，而写，随着机器的增多吞吐能力肯定下降（这也是它建立observer的原因），而响应能力则取决于具体实现方式，是延迟复制保持最终一致性，还是立即复制快速响应。

6.zookeeper的角色

7.Zookeeper设计目的

1.最终一致性：client不论连接到哪个Server，展示给它都是同一个视图，这是zookeeper最重要的性能。

2.可靠性：具有简单、健壮、良好的性能，如果消息被到一台服务器接受，那么它将被所有的服务器接受。

3.实时性：Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新信息，或者服务器失效的信息。但由于网络延时等原因，Zookeeper不能保证两个客户端能同时得到刚更新的数据，如果需要最新数据，应该在读数据之前调用sync()接口。

4.等待无关（wait-free）：慢的或者失效的client不得干预快速的client的请求，使得每个client都能有效的等待。

5.原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。

6.顺序性：包括全局有序和偏序两种：全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布，则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布；偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布，a必将排在b前面。

8.Zookeeper工作原理

Zookeeper 的核心是原子广播，这个机制保证了各个Server之间的同步。实现这个机制的协议叫做Zab协议。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者在领导者崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，且大多数Server完成了和 leader的状态同步以后，恢复模式就结束了。状态同步保证了leader和Server具有相同的系统状态。

为了保证事务的顺序一致性，zookeeper采用了递增的事务id号（zxid）来标识事务。所有的提议（proposal）都在被提出的时候加上了zxid。实现中zxid是一个64位的数字，它高32位是epoch用来标识leader关系是否改变，每次一个leader被选出来，它都会有一个新的epoch，标识当前属于那个leader的统治时期。低32位用于递增计数。

9.Zookeeper 下 Server工作状态

每个Server在工作过程中有三种状态：

LOOKING：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻

LEADING：当前Server即为选举出来的leader

FOLLOWING：leader已经选举出来，当前Server与之同步

10.Zookeeper选主流程

当leader崩溃或者leader失去大多数的follower，这时候zk进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的leader，让所有的Server都恢复到一个正确的状态。Zk的选举算法有两种：一种是基于basic paxos实现的，另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。

1.basic paxos

1.选举线程由当前Server发起选举的线程担任，其主要功能是对投票结果进行统计，并选出推荐的Server；

2.选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；

3.选举线程收到回复后，验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致)，然后获取对方的id(myid)，并存储到当前询问对象列表中，最后获取对方提议的leader相关信息(id,zxid)，并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中；

4.收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的那个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server；

5.线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader，如果此时获胜的Server获得n/2 + 1的Server票数，设置当前推荐的leader为获胜的Server，将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态，否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。通过流程分析我们可以得出：要使Leader获得多数Server的支持，则Server总数必须是奇数2n+1，且存活的Server的数目不得少于n+1. 每个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，如果是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息，zk会记录事务日志并定期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复。选主的具体流程图所示：