Zookeeper（109）Zookeeper的会话（Session）机制是如何实现的？

ZooKeeper 的会话（Session）机制是其核心功能之一，会话机制确保了客户端与 ZooKeeper 服务器之间的连接的持久性和状态一致性。会话机制还支持临时节点和 Watcher 的功能。下面详细解释 ZooKeeper 的会话机制的实现原理，并结合代码示例进行深入探讨。

1. 会话机制概述

ZooKeeper 的会话机制包括以下几个关键部分：

• 会话的创建：当客户端连接到 ZooKeeper 服务器时，会创建一个新的会话。
• 会话的维护：通过心跳机制（ping/pong）维护会话的活跃状态。
• 会话的失效：如果客户端长时间未与服务器通信，会话将会失效。
• 会话的重新连接：客户端可以在会话失效之前重新连接到 ZooKeeper 服务器，保持会话的连续性。

2. 会话的创建

当客户端连接到 ZooKeeper 服务器时，会创建一个新的会话。服务器为每个会话分配一个唯一的会话 ID（sessionId）和一个会话超时时间（sessionTimeout）。

会话创建示例

客户端代码：

ZooKeeper zk = new ZooKeeper("localhost:2181", 3000, new Watcher() {
    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        System.out.println("Event received: " + event);
    }
});

服务器代码（处理会话创建请求）：

public class ZooKeeperServer {
    public void processConnectRequest(NIOServerCnxn cnxn, ByteBuffer incomingBuffer) {
        ConnectRequest connReq = new ConnectRequest();
        ByteBufferInputStream.byteBuffer2Record(incomingBuffer, connReq);

        // 创建会话
        long sessionId = createSession(cnxn, connReq.getTimeOut());
        cnxn.setSessionId(sessionId);

        // 发送会话创建响应
        ConnectResponse connResp = new ConnectResponse(0, sessionId, connReq.getTimeOut(), EMPTY_BYTE_ARRAY);
        cnxn.sendResponse(connResp);
    }

    private long createSession(NIOServerCnxn cnxn, int sessionTimeout) {
        long sessionId = sessionTracker.createSession(sessionTimeout);
        cnxn.setSessionTimeout(sessionTimeout);
        return sessionId;
    }
}

3. 会话的维护

ZooKeeper 使用心跳机制（ping/pong）来维护会话的活跃状态。客户端定期向服务器发送心跳消息，服务器响应心跳消息，确保会话不超时。

心跳机制示例

客户端代码：

public class ClientCnxn {
    public void sendPing() {
        RequestHeader h = new RequestHeader();
        h.setType(ZooDefs.OpCode.ping);
        Packet packet = new Packet(h, null, null, null, null);
        sendThread.sendPacket(packet);
    }

    private class SendThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (state.isAlive()) {
                try {
                    sendPing();
                    Thread.sleep(sessionTimeout / 2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

服务器代码：

public class ZooKeeperServer {
    public void processPacket(NIOServerCnxn cnxn, ByteBuffer incomingBuffer) {
        RequestHeader h = new RequestHeader();
        ByteBufferInputStream.byteBuffer2Record(incomingBuffer, h);

        if (h.getType() == ZooDefs.OpCode.ping) {
            sendPingResponse(cnxn);
        }
    }

    private void sendPingResponse(NIOServerCnxn cnxn) {
        ReplyHeader h = new ReplyHeader(-2, 0, 0);
        cnxn.sendResponse(h, null);
    }
}

4. 会话的失效

如果客户端超过一定时间未与服务器通信，会话将会失效。ZooKeeper 使用会话超时来判断会话是否失效。

会话失效示例

服务器代码：

public class SessionTrackerImpl implements SessionTracker {
    private final ConcurrentHashMap<Long, SessionImpl> sessionsById = new ConcurrentHashMap<>();
    private final int sessionTimeout;

    public SessionTrackerImpl(int sessionTimeout) {
        this.sessionTimeout = sessionTimeout;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            long now = System.currentTimeMillis();
            for (Map.Entry<Long, SessionImpl> entry : sessionsById.entrySet()) {
                SessionImpl session = entry.getValue();
                if (now - session.getLastActiveTime() > sessionTimeout) {
                    expire(session.getSessionId());
                }
            }
            try {
                Thread.sleep(sessionTimeout / 2);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }

    private void expire(long sessionId) {
        SessionImpl session = sessionsById.remove(sessionId);
        if (session != null) {
            session.expire();
        }
    }
}

5. 会话的重新连接

如果客户端在会话失效之前重新连接到 ZooKeeper 服务器，可以保持会话的连续性。客户端会尝试使用之前的会话 ID 重新连接服务器。

会话重新连接示例

客户端代码：

public class ClientCnxn {
    public void reconnect() {
        ConnectRequest connReq = new ConnectRequest(0, lastSessionId, lastSessionPasswd, sessionTimeout);
        sendThread.sendPacket(new Packet(connReq));
    }

    private class SendThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (state.isAlive()) {
                try {
                    reconnect();
                    Thread.sleep(sessionTimeout / 2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

服务器代码（处理会话重新连接请求）：

public class ZooKeeperServer {
    public void processConnectRequest(NIOServerCnxn cnxn, ByteBuffer incomingBuffer) {
        ConnectRequest connReq = new ConnectRequest();
        ByteBufferInputStream.byteBuffer2Record(incomingBuffer, connReq);

        if (connReq.getSessionId() != 0) {
            // 重新连接会话
            if (sessionTracker.checkSession(connReq.getSessionId(), connReq.getPasswd())) {
                cnxn.setSessionId(connReq.getSessionId());
                cnxn.setSessionTimeout(connReq.getTimeOut());
                
                // 发送会话重新连接响应
                ConnectResponse connResp = new ConnectResponse(0, connReq.getSessionId(), connReq.getTimeOut(), EMPTY_BYTE_ARRAY);
                cnxn.sendResponse(connResp);
            } else {
                // 会话无效
                cnxn.sendCloseSession();
            }
        } else {
            // 创建新会话
            long sessionId = createSession(cnxn, connReq.getTimeOut());
            cnxn.setSessionId(sessionId);

            // 发送会话创建响应
            ConnectResponse connResp = new ConnectResponse(0, sessionId, connReq.getTimeOut(), EMPTY_BYTE_ARRAY);
            cnxn.sendResponse(connResp);
        }
    }
}

6. 会话机制的特点

• 持久性：会话在客户端断开连接后的一段时间内保持有效。
• 临时节点：临时节点会在会话失效时自动删除。
• Watcher：Watcher 与会话关联，会话失效时 Watcher 也会失效。

7. 实现细节与优化

• 会话跟踪：使用 SessionTracker 跟踪会话的状态和活动时间。
• 心跳机制：定期发送心跳消息，确保会话的活跃状态。
• 会话恢复：在会话失效前重新连接，保持会话的连续性。

总结

ZooKeeper 的会话机制通过会话的创建、维护、失效和重新连接，实现了客户端与服务器之间的连接持久性和状态一致性。上述代码示例详细展示了会话机制的实现过程，帮助理解其工作原理和实现细节。通过合理使用会话机制，可以构建高效、可靠的分布式系统。