一、Zookeeper工作機(jī)制

分布式和集中式系統(tǒng)相比，有很多優(yōu)勢(shì)，比如更強(qiáng)的計(jì)算能力，存儲(chǔ)能力，避免單點(diǎn)故障等問(wèn)題。但是由于在分布式部署的方式遇到網(wǎng)絡(luò)故障等問(wèn)題的時(shí)候怎么保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性和可用性是比較關(guān)鍵的問(wèn)題。

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那么，對(duì)于分布式集群來(lái)說(shuō)，我們需要一個(gè)能夠在各個(gè)服務(wù)和節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)和服務(wù)的中間人——Zookeeper。

Zookeeper從設(shè)計(jì)模式角度來(lái)理解：是一個(gè)基于觀察者模式設(shè)計(jì)的分布式服務(wù)管理框架，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理大家都關(guān)心的數(shù)據(jù)，然后接受觀察者的注冊(cè)，一旦這些數(shù)據(jù)的狀態(tài)發(fā)生變化，Zookeeper就將負(fù)責(zé)通知已經(jīng)在Zookeeper上注冊(cè)的那些觀察者做出相應(yīng)的回應(yīng)。

二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Zookeeper的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和linux的目錄結(jié)構(gòu)類似，也像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的樹(shù)，如下圖：

Zookeeper的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基于節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)稱為Znode。Znode的引用方式是路徑的引用，每個(gè)Znode都可以通過(guò)其路徑唯一標(biāo)識(shí)。

其中Znode中包含有：數(shù)據(jù)，子節(jié)點(diǎn)引用，訪問(wèn)權(quán)限等，如下圖：

• data：Znode存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息
• ACL：記錄Znode的訪問(wèn)權(quán)限，即哪些人或哪些IP可以訪問(wèn)本節(jié)點(diǎn)
• child：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)引用，類似于二叉樹(shù)的左孩子右孩子
• stat：包含Znode的各種元數(shù)據(jù)，比如事務(wù)ID、版本號(hào)、時(shí)間戳、大小等等

stat 查看根目錄的詳細(xì)信息：

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] stat / 
 
cZxid = 0x0 
 
ctime = Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970 
 
mZxid = 0x0 
 
mtime = Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970 
 
pZxid = 0x0 
 
cversion = -1 
 
dataVersion = 0 
 
aclVersion = 0 
 
ephemeralOwner = 0x0 
 
dataLength = 0 
 
numChildren = 1 

三、選舉機(jī)制

Zookeeper集群是一主多從的模式，主為leader，從為follower，其中l(wèi)eader是通過(guò)選舉得到。

Zookeeper集群有如下特點(diǎn)：

- Zookeeper：一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者(leader)，多個(gè)跟隨者(follower)組成的集群

- Leader負(fù)責(zé)進(jìn)行投票的發(fā)起和決議，更新系統(tǒng)狀態(tài)

- Follower用于接收客戶請(qǐng)求并向客戶端返回結(jié)果，在選舉Leader過(guò)程中參與投票

- 集群中只要有半數(shù)以上節(jié)點(diǎn)存活，Zookeeper集群就能正常服務(wù)，所以Zookeeper適合安裝奇數(shù)臺(tái)服務(wù)器

- 全局?jǐn)?shù)據(jù)一致：每個(gè)server保存一份相同的數(shù)據(jù)副本，client無(wú)論連接到哪個(gè)server，數(shù)據(jù)都是一致的

- 更新請(qǐng)求順序進(jìn)行，來(lái)自同一個(gè)client的更新請(qǐng)求按其發(fā)送順序依次執(zhí)行

- 數(shù)據(jù)更新原子性，一次數(shù)據(jù)更新要么成功，要么失敗

- 實(shí)時(shí)性，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，client能讀到最新數(shù)據(jù)

Leader選舉是保證分布式數(shù)據(jù)一致性的關(guān)鍵所在，當(dāng)Zookeeper進(jìn)入以下兩種狀態(tài)時(shí)，需要進(jìn)入leader選舉：

• 服務(wù)器初始化啟動(dòng)
• leader宕機(jī)掛掉

1. 服務(wù)器初始化啟動(dòng)時(shí)的選舉

(1)以三臺(tái)服務(wù)器組成的集群為例，在集群的初始化階段，當(dāng)server1啟動(dòng)時(shí)，其單獨(dú)無(wú)法完成選舉;當(dāng)server2啟動(dòng)時(shí)，此時(shí)兩臺(tái)機(jī)器可以互相通信，每臺(tái)機(jī)器都試圖找到leader，于是進(jìn)入選舉狀態(tài)

(2)每個(gè)server首先給自己投票：初始階段，每個(gè)服務(wù)器都將自己作為leader來(lái)投票，每次投票包含的信息有(myid，ZXID，epoch)，此時(shí)Server1的投票為(1, 0)，Server2的投票為(2, 0)，然后各自將這個(gè)投票發(fā)給集群中其他機(jī)器

其中epoch用來(lái)判斷多個(gè)投票是否在同一輪選舉周期中，該值在服務(wù)端是一個(gè)自增序列，每次進(jìn)入新一輪的投票后，都會(huì)對(duì)該值進(jìn)行加1操作

(3)每個(gè)server接受來(lái)自各個(gè)服務(wù)器的投票：集群的每個(gè)服務(wù)器收到投票后，首先判斷該投票的有效性，如檢查是否是本輪投票、是否來(lái)自LOOKING狀態(tài)的服務(wù)器

(4)處理投票。針對(duì)每一個(gè)投票，服務(wù)器都需要將別人的投票和自己的投票進(jìn)行PK，PK規(guī)則如下：

優(yōu)先檢查ZXID。ZXID比較大的服務(wù)器優(yōu)先作為L(zhǎng)eader

如果ZXID相同，那么就比較myid。myid較大的服務(wù)器作為L(zhǎng)eader服務(wù)器

對(duì)于Server1而言，它的投票是(1, 0)，接收Server2的投票為(2, 0)，首先會(huì)比較兩者的ZXID，均為0，再比較myid，此時(shí)Server2的myid最大，于是更新自己的投票為(2, 0)，然后重新投票，對(duì)于Server2而言，其無(wú)須更新自己的投票，只是再次向集群中所有機(jī)器發(fā)出上一次投票信息即可

(5)統(tǒng)計(jì)投票。每次投票后，服務(wù)器都會(huì)統(tǒng)計(jì)投票信息，判斷是否已經(jīng)有過(guò)半機(jī)器接受到相同的投票信息，對(duì)于Server1、Server2而言，都統(tǒng)計(jì)出集群中已經(jīng)有兩臺(tái)機(jī)器接受了(2, 0)的投票信息，此時(shí)便認(rèn)為已經(jīng)選出了Leader，一旦選出leader，后邊的機(jī)器不管myid和ZXID多大，都自動(dòng)成為leader的小弟

(6)改變服務(wù)器狀態(tài)。一旦確定了Leader，每個(gè)服務(wù)器就會(huì)更新自己的狀態(tài)，如果是Follower，那么就變更為FOLLOWING，如果是Leader，就變更為L(zhǎng)EADING

2. leader服務(wù)器掛掉的投票機(jī)制

與啟動(dòng)時(shí)不同的就是，每個(gè)服務(wù)器上都有歷史數(shù)據(jù)，在選舉之前，首先非leader的服務(wù)器改變狀態(tài)為L(zhǎng)OOKING狀態(tài)，因?yàn)檫\(yùn)行期間每個(gè)服務(wù)器ZXID不同，會(huì)和啟動(dòng)時(shí)的選舉一樣進(jìn)行重新投票選舉。

四、監(jiān)聽(tīng)機(jī)制

首先要有一個(gè)main()線程

在main線程中創(chuàng)建Zookeeper客戶端，這時(shí)就會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)線程，一個(gè)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)連接通信(connet)，一個(gè)負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)(listener)

通過(guò)connect線程將注冊(cè)的監(jiān)聽(tīng)事件發(fā)送給Zookeeper

在Zookeeper的注冊(cè)監(jiān)聽(tīng)器列表中將注冊(cè)的監(jiān)聽(tīng)事件添加到列表中

Zookeeper監(jiān)聽(tīng)到有數(shù)據(jù)或路徑變化，就會(huì)將這個(gè)消息發(fā)送給listener線程

listener線程內(nèi)部調(diào)用了process()方法

五、API應(yīng)用

Zookeeper常用的API如下：

create創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)delete刪除節(jié)點(diǎn)exists判斷節(jié)點(diǎn)是否存在getData獲得一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)setData設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)getChildren獲取節(jié)點(diǎn)下的所有子節(jié)點(diǎn)

這其中，exists，getData，getChildren屬于讀操作。Zookeeper客戶端在請(qǐng)求讀操作的時(shí)候，可以選擇是否設(shè)置Watch。

Watch是什么意思呢?

我們可以理解成是注冊(cè)在特定Znode上的觸發(fā)器。當(dāng)這個(gè)Znode發(fā)生改變，也就是調(diào)用了create，delete，setData方法的時(shí)候，將會(huì)觸發(fā)Znode上注冊(cè)的對(duì)應(yīng)事件，請(qǐng)求Watch的客戶端會(huì)接收到異步通知。

具體交互過(guò)程如下：

• 客戶端調(diào)用getData方法，watch參數(shù)是true。服務(wù)端接到請(qǐng)求，返回節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并且在對(duì)應(yīng)的哈希表里插入被Watch的Znode路徑，以及Watcher列表。
• 當(dāng)被Watch的Znode已刪除，服務(wù)端會(huì)查找哈希表，找到該Znode對(duì)應(yīng)的所有Watcher，異步通知客戶端，并且刪除哈希表中對(duì)應(yīng)的Key-Value

六、應(yīng)用場(chǎng)景

Zookeeper提供的服務(wù)包括：統(tǒng)一命名服務(wù)、統(tǒng)一配置管理、統(tǒng)一集群管理、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)上下線、軟負(fù)載均衡等。