前言

在分布式系統(tǒng)中，注冊中心充當(dāng)著重要角色，是服務(wù)發(fā)現(xiàn)、客戶端負(fù)載均衡中不可缺少的一員。注冊中心除了能夠?qū)崿F(xiàn)基本的功能外，它的穩(wěn)定性、可用性和健壯性對整個(gè)分布式系統(tǒng)的流暢運(yùn)行影響重大。dubbo作為國內(nèi)一款主流的分布式系統(tǒng)，支持的注冊中心有zookeeper、nacos和redis等第三方中間件。

高并發(fā)分布式開發(fā)技術(shù)體系已然非常的龐大，前段時(shí)間一直在準(zhǔn)備找工作，參加面試，通過面試的情況可以發(fā)現(xiàn)RPC、Dubbo、zookeeper、nacos、分布式、微服務(wù)等這些已經(jīng)成為了找工作的最基礎(chǔ)的技能要求了。

之前有篇文章介紹到了如何使用nacos作為注冊中心：SpringCloud：搭建Nacos服務(wù)以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)。其實(shí)不僅僅nacos可以作為注冊中心，zookeeper也可以作為注冊中心使用。但是Zookeeper其實(shí)不僅僅可以作為注冊中心。

對于Zookeeper，其官方文檔上的解釋是：它是一個(gè)分布式服務(wù)框架，是Apache Hadoop 的一個(gè)子項(xiàng)目，它主要是用來解決分布式應(yīng)用中經(jīng)常遇到的一些數(shù)據(jù)管理問題，如：統(tǒng)一命名服務(wù)、狀態(tài)同步服務(wù)、集群管理、分布式應(yīng)用配置項(xiàng)的管理等?？梢岳斫鉃閦ookeeper是文件系統(tǒng)+監(jiān)聽通知機(jī)制。

今天這篇文章就一起來學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)Zookeeper，我自己也是學(xué)習(xí)的過程！

什么是zookeeper

隨著系統(tǒng)應(yīng)用的拓展和數(shù)據(jù)量的保證，我們的系統(tǒng)經(jīng)常會遇到這些情況：

• 怎么保證一個(gè)服務(wù)器集群中的所有服務(wù)器保持共享的配置信息的一致性？
• 如果服務(wù)器集群中有一臺機(jī)器掛掉了，其他機(jī)器如何感知到這一變化并接管任務(wù)？
• 對于分布式系統(tǒng)，如何高效協(xié)同多臺服務(wù)對同一網(wǎng)絡(luò)文件進(jìn)行寫操作并保持一致性？
• 如何做到不重啟集群而完成機(jī)器的添加？
• ........

為了解決上述的問題，就需要一個(gè)類似于線程協(xié)同機(jī)制的工具，讓各個(gè)服務(wù)進(jìn)行協(xié)同工作。而zookeeper就是這樣的一類工具。

上面說到對于Zookeeper，其官方文檔上的解釋是：它是一個(gè)分布式服務(wù)框架，是Apache Hadoop 的一個(gè)子項(xiàng)目，它主要是用來解決分布式應(yīng)用中經(jīng)常遇到的一些數(shù)據(jù)管理問題，如：統(tǒng)一命名服務(wù)、狀態(tài)同步服務(wù)、集群管理、分布式應(yīng)用配置項(xiàng)的管理等。

所以可以理解為zookeeper是一種可以用于分布式應(yīng)用的高性能協(xié)調(diào)服務(wù)，它的數(shù)據(jù)是存于內(nèi)存中的，并且持久化實(shí)現(xiàn)在日志中。而它的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是類似于樹形結(jié)構(gòu)，具有高吞吐低延遲的特點(diǎn)。zookeeper不僅僅可以幫助我們實(shí)現(xiàn)分布式統(tǒng)一配置中心，服務(wù)注冊，分布式鎖等，它們維護(hù)內(nèi)存中的狀態(tài)圖像，以及持久性存儲中的事務(wù)日志和快照。只要大多數(shù)服務(wù)器可用，ZooKeeper服務(wù)就可用?？蛻舳诉B接到單個(gè)ZooKeeper服務(wù)器。客戶端維護(hù)TCP連接，通過該連接發(fā)送請求，獲取響應(yīng)，獲取監(jiān)視事件以及發(fā)送tick。如果與服務(wù)器的TCP連接中斷，則客戶端將連接到其他服務(wù)器。所以可以簡單地認(rèn)為zookeeper=文件系統(tǒng)+監(jiān)聽通知機(jī)制。

我們還可以這樣理解：zookeeper的中文意思就是動(dòng)物園管理員（zoom+keeper）。動(dòng)物園管理員的作用就是負(fù)責(zé)管理動(dòng)物園里面的動(dòng)物，讓它們井然有序。而zookeeper是apache下的開源項(xiàng)目，在apache下的很多開源項(xiàng)目其實(shí)都是以動(dòng)物作為圖標(biāo)的，比如Hadoop(大象)，Hive(蜜蜂)，Pig(小豬)、tomcat(貓)。

所以可以記憶成apache下的項(xiàng)目就是動(dòng)物園，而zookeeper就是負(fù)責(zé)管理這些動(dòng)物（開源項(xiàng)目）的動(dòng)物管理員。

zookeeper的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

zookeeper 會維護(hù)一個(gè)具有層次關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它非常類似于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)：

上圖中的樹形結(jié)構(gòu)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)(目錄項(xiàng))，比如NameService 都被稱作為 znode(目錄節(jié)點(diǎn))。zonde通過路徑引用，路徑必須是絕對的，因此他們必須由斜杠字符來開頭。除此以外，它們必須是唯一的，也就是說每一個(gè)路徑只有一個(gè)表示，因此這些路徑不能改變。在zookeeper中，路徑由Unicode字符串組成，并且有一些限制。字符串"/ZooKeeper"用以保存管理信息，比如關(guān)鍵配額信息。

znode同時(shí)具有文件和目錄兩種特點(diǎn)。既像文件一樣維護(hù)著數(shù)據(jù)、元信息、訪問控制列表）、時(shí)間戳等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又可以像目錄一樣可以作為路徑標(biāo)識的一部分，能夠自由的增加、刪除znode。

每個(gè)znode都是由三部分組成:

• stat：此為狀態(tài)信息, 描述該znode的版本, 權(quán)限等信息
• data：與該znode關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)
• children：該znode下的子節(jié)點(diǎn)

需要注意的是同一個(gè)節(jié)點(diǎn)下的子節(jié)點(diǎn)名稱不能相同，且命名是有規(guī)范的，它的路徑是沒有相對路徑的概念的，都是絕對路徑，任何開始都以"/"開始，最后就是，它存放數(shù)據(jù)的大小是有限制的。

zookeeper的節(jié)點(diǎn)類型

zookeeper中的節(jié)點(diǎn)有兩種，分別為臨時(shí)節(jié)點(diǎn)（Ephemeral Node）和永久節(jié)點(diǎn)(Persistent Node)。節(jié)點(diǎn)的類型在創(chuàng)建時(shí)即被確定，并且不能改變。

兩種節(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于是否依賴于會話（Session）而生存。客戶端和ZooKeeper服務(wù)器的一次連接稱為一次會話?？蛻舳丝颗c服務(wù)器建立一個(gè)TCP的長連接來維持一個(gè)會話，客戶端在啟動(dòng)的時(shí)候首先會與服務(wù)器建立一個(gè)TCP連接，通過這個(gè)連接客戶端能夠通過心跳檢測與服務(wù)器保持有效的會話，也能向ZooKeeper服務(wù)器發(fā)送請求并獲得響應(yīng)。

（1）臨時(shí)節(jié)點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)的生命周期依賴于創(chuàng)建它們的會話。一旦會話結(jié)束，臨時(shí)節(jié)點(diǎn)將被自動(dòng)刪除，當(dāng)然也可以手動(dòng)刪除。雖然每個(gè)臨時(shí)的Znode都會綁定到一個(gè)客戶端會話，但他們對所有的客戶端還是可見的。另外，zookeeper的臨時(shí)節(jié)點(diǎn)不允許擁有子節(jié)點(diǎn)。臨時(shí)節(jié)點(diǎn)又可以細(xì)分為：臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn)和臨時(shí)順序編號目錄節(jié)點(diǎn)。

• 臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn)（EPHEMERAL）：客戶端與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點(diǎn)被刪除。
• 臨時(shí)順序編號目錄節(jié)點(diǎn)（EPHEMERAL_SEQUENTIAL）：客戶端與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點(diǎn)被刪除，只是Zookeeper給該節(jié)點(diǎn)名稱進(jìn)行順序編號。

（2）永久節(jié)點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)的生命周期不依賴于會話，并且只有在客戶端執(zhí)行刪除操作的時(shí)候，他們才能被刪除。臨時(shí)節(jié)點(diǎn)又可以細(xì)分為：持久目錄節(jié)點(diǎn)和持久順序編號目錄節(jié)點(diǎn)。

• 持久化目錄節(jié)點(diǎn)（PERSISTENT）：客戶端與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點(diǎn)依舊存在。
• 持久化順序編號目錄節(jié)點(diǎn)（PERSISTENT_SEQUENTIAL）：客戶端與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點(diǎn)依舊存在，只是zookeeper給該節(jié)點(diǎn)名稱進(jìn)行順序編號。

上面的分類有個(gè)概念叫順序節(jié)點(diǎn)：在創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，用戶可以請求在zooKeeper的路徑結(jié)尾添加一個(gè)遞增的計(jì)數(shù)。這個(gè)計(jì)數(shù)對于此節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)來說是唯一的，當(dāng)客戶端請求創(chuàng)建這個(gè)節(jié)點(diǎn)后，zookeeper會根據(jù)父節(jié)點(diǎn)的zxid狀態(tài)，為這個(gè)節(jié)點(diǎn)編寫一個(gè)全目錄唯一的編號，并且這個(gè)編號只會一直增長。這樣的節(jié)點(diǎn)稱為順序節(jié)點(diǎn)。

這上面又提到了一個(gè)概念叫zxid：對于改變zookeeper節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的每一個(gè)操作都將使這個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)Zxid格式的時(shí)間戳，并且這個(gè)時(shí)間戳全局有序?？梢岳斫鉃槊總€(gè)改變對節(jié)點(diǎn)的操作都會產(chǎn)生一個(gè)唯一的事務(wù)id叫做Zxid。如果Zxid1的值小于Zxid2的值，那么就可以認(rèn)為Zxid1所對應(yīng)的事件發(fā)生在Zxid2所對應(yīng)的事件之前。其實(shí)，zookeeper的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)著兩個(gè)Zxid值，分別是：cZxid、mZxid。

• cZxid：指的是節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建時(shí)間所對應(yīng)的Zxid格式時(shí)間戳。
• mZxid：指的是節(jié)點(diǎn)的修改時(shí)間所對應(yīng)的Zxid格式時(shí)間戳。

實(shí)現(xiàn)中Zxid是一個(gè)64位的數(shù)字，它高32位是epoch（投票）用來標(biāo)識Leader關(guān)系是否改變，每次一個(gè)Leader被選出來，它都會有一個(gè)新的epoch。而第32位就是個(gè)遞增計(jì)數(shù)。

zookeeper的特點(diǎn)

1、有序性

zookeeper提供了多種方式跟蹤時(shí)間，zookeeper給每個(gè)更新貼上一個(gè)數(shù)字（前面說的zxid），這個(gè)數(shù)字反映了所有zookeeper事務(wù)的順序，嚴(yán)格的順序意味著可以在客戶機(jī)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的同步。除了上面說到的zxid，還有version、zoo.cfg中ticks配置。

version numbers（版本號）：版本號是用來記錄節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)或者是節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)列表或者是權(quán)限信息的修改次數(shù)。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的version是1，那就代表說這個(gè)節(jié)點(diǎn)從創(chuàng)建以來被修改了一次。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)著三個(gè)版本號，他們分別為：

• version：節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)版本號。
• cversion：子節(jié)點(diǎn)版本號。
• aversion：節(jié)點(diǎn)所擁有的ACL版本號。

對節(jié)點(diǎn)的寫請求都會導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)的3種版本號增加，原理和樂觀鎖差不多。

ticks ：zoo.cfg文件中的配置。當(dāng)使用多服務(wù)器zookeeper時(shí)，服務(wù)器使用一個(gè)“滴答”來定義事件的時(shí)間，如狀態(tài)上傳，會話超時(shí)等，它通過最小會話超時(shí)（默認(rèn)是滴答時(shí)間x2）間接公開，如果客戶端請求超過這個(gè)時(shí)間，那客戶端就不再能連接上服務(wù)器端。

real time：zookeeper并不使用真實(shí)時(shí)間。

所以可以理解為zookeeper是一個(gè)協(xié)調(diào)者，使得一些交互連接有序進(jìn)行！

速度快。

前面提到了zookeeper的數(shù)據(jù)加載在內(nèi)存中，所以它具有高吞吐和低延遲的效果。并且以讀取為事務(wù)速度尤其快，而且操作的znode大小限制在1m。正是這些特點(diǎn)，使得zookeeper可以適用于大型的分布式系統(tǒng)。

2、可復(fù)制

zookeeper的數(shù)據(jù)是可復(fù)制，可備份的。zookeeper可以快速地搭建一個(gè)集群，內(nèi)部自帶了這樣的一些工具與機(jī)制，我們只需要設(shè)置一些配置即可，保證服務(wù)可靠，所以不會成為單點(diǎn)故障。如下：

watcher機(jī)制

zookeeper允許用戶在指定節(jié)點(diǎn)上注冊一些Watcher，當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化的時(shí)候，zookeeper服務(wù)器會把這個(gè)變化的通知發(fā)送給感興趣的客戶端。這個(gè)是zookeeper的核心特性，zookeeper的很多功能都是基于這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)的。

如果有兩個(gè)客戶端都在zookeeper集群中注冊了watcher（事件監(jiān)聽器），那么當(dāng)zookeeper中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時(shí)候，zookeeper會把這一變化的通知發(fā)送給客戶端，當(dāng)客戶端收到這個(gè)變化通知的時(shí)候，會觸發(fā)某些提前定義好的動(dòng)作。一般來說，zookeeper會向客戶端發(fā)送且僅發(fā)送一條通知，如果一個(gè)watch同時(shí)注冊了多個(gè)接口（exists,getData）,如果此時(shí)刪除節(jié)點(diǎn)，雖然這個(gè)事件對exists和getData都有效，但是watch只會被調(diào)用一次。并且這些請求有可能存在延時(shí)，所以不能絕對可靠得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生的每個(gè)更改。watch觸發(fā)后會立即刪除，要持續(xù)監(jiān)聽變化的話就需要持續(xù)提供設(shè)置watch。并且客戶端先得到watch通知才可查看變化結(jié)果。

觸發(fā)watch事件的條件有4種，create，delete，change，child（子節(jié)點(diǎn)事件）。

所以可以總結(jié)zookeeper的特點(diǎn)如下：

1、原子性(Atomicity)，更新成功或失敗。沒有部分結(jié)果。

2、可靠性：數(shù)據(jù)的變更不會丟失，除非被客戶端覆蓋修改。

3、實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)的客戶端當(dāng)時(shí)讀取到的數(shù)據(jù)是最新的。

4、有序性：客戶端的操作都是按照順序生效的。

5、一致性：又叫單個(gè)系統(tǒng)映像，無論連接的是哪個(gè)服務(wù)器，客戶端看到的內(nèi)容都是相同的。

總結(jié)

上述就是關(guān)于zookeeper的簡單介紹。自己也是一個(gè)學(xué)習(xí)的過程?？偨Y(jié)了一些關(guān)于zookeeper的概念和相關(guān)知識點(diǎn)。