ZooKeeper 到底解决了什么问题？

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2021-07-26 18:50 412阅读 0赞

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## 目标 ##

ZooKeeper 很流行，有个基本的疑问：

*  ZooKeeper 是用来做什么的？
 *  之前没有ZK，为什么会诞生 ZK？

OK，解答一下上面的疑问：（下面是凭直觉说的）

*  ZooKeeper 是用于简化分布式应用开发的，对开发者屏蔽一些分布式应用开发过程中的底层细节
 *  ZooKeeper 对外暴露简单的 API，用于支持分布式应用开发
 *  ZooKeeper 在提供上述功能的同时，其还是一个 高性能、高可用、高可靠的分布式集群

上面说这么多，总结一下，[**ZK 能解决分布式应用开发的问题，ZK 能很好的解决问题**][ZK _ZK]。到这一步，疑问就更多了：

1.  分布式应用开发，有哪些常见问题？ZK 是如何屏蔽这些底层细节的？
2.  ZooKeeper 对外暴露了哪些 API？这些 API 如何支持分布式应用开发的？这些 API 还能简化吗？API 的语义性怎么样？
3.  ZooKeeper 自身是一个高性能、高可用、高可靠的分布式集群，那有个简单的问题：

*  高性能是指什么？ZooKeeper 为了达到高性能，做了哪些工作？
 *  高可用同上
 *  高可靠同上

Note：本篇 wiki 就是为了解决上述第一个疑问的。（其他疑问请持续关注公众号互联网架构师，会逐步进行解答）

## 为什么有 ZooKeeper ##

一个应用程序，涉及多个进程协作时，业务逻辑代码中混杂有大量复杂的进程协作逻辑。

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上述多进程协作逻辑，有 2 个特点：

*  处理复杂
 *  处理逻辑可重用

因此，考虑将多进程协作的共性问题拎出，作为基础设施，让 RD 更加专注业务逻辑开发，即：

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ZooKeeper 就是上述多进程协作基础服务的一种。

## ZooKeeper 的特点 ##

ZooKeeper 有几个简单特点：

*  ZooKeeper 的 API：从 文件系统 API 得到的启发，提供简单的 API
 *  ZooKeeper 运行在专用服务器上，跟业务逻辑分离，保证了**高容错性**和**可扩展性**

ZooKeeper 是存储设施，但特别注意

*  ZK上存储的数据聚焦为：`协作数据`（`元数据`），而不是应用数据，应用数据有自己的存储方案，例如 HDFS 等
 *  ZK 本质上，可以看作一种`特殊的 FS`

特别说明：

> 应用数据和元数据，由于使用场景不同，对一致性和持久性的要求有差异， 因此，架构设计、数据治理过程中，应将 2 类数据独立看待、独立存储。

## ZooKeeper 的使命 ##

ZK 要解决的核心问题：

> ZK 目标：简化分布式应用开发中，多进程协作问题。为分布式应用，提供`高效`、`可靠`的分布式协调服务（基础服务），例如：
> 
>  *  统一的命名服务
>  *  分布式锁
>  *  进程崩溃检测
>  *  Leader 选举
>  *  配置管理：配置变更时，及时下发到各个 Client。

一个简单的问题：多进程的协作是什么？面对这个问题，还是回答一下。

**多进程协作**，整体分为 2 类：

1.  **协作**：多进程需要一同处理某些事情，一些进程采取行动使得其他进程能够正常工作，例如：主从结构，M 向 S 分配任务，S 才会执行，否则 S 就保持空闲状态
2.  **竞争**：两个进程不能同时工作，一个进程必须等待另个进程执行完毕，例如：主从结构，M 节点失效后，很多 S 都想成为 M，这时，就需要互斥锁，只有第一个获得锁的 S 成为 M

特别说明：

1.  不跨网络协作：多进程，可以在同一台物理主机上，同步原语很方便(比如？管道、共享内存、消息队列、信号量)
2.  跨网络协作：多进程，分布在不同的物理主机上，ZK 关注这一类

`跨网络多进程协作`，进程通信，基本思路有 2 个：

1.  消息机制：通过网络，直接信息交换，多消息传递算法，实现同步原语
2.  共享存储：利用外部共享存储，实现多进程协作，要求`共享存储`提供有序访问，ZK 采用这种方式

真实系统中，跨网络通信，有几个共性问题：

1.  消息延迟：由于网络原因，后发送先到达
2.  处理器性能：由于系统调度原因，消息到达后，延迟处理
3.  时钟偏移：不同物理主机，时钟发生偏移

> ZK 精心设计用于**屏蔽上述 3 个共性问题**，使得这些问题在应用服务层面完全透明化。

## ZooKeeper 特性 ##

### ZooKeeper 解决的本质问题 ###

分布式系统的一致性问题：

1.  消息传递：延迟性，先发送的消息，不一定先到达；
2.  消息传递：丢失性，发送的消息，可能丢失；
3.  节点崩溃：分布式系统内，任何一个节点都可能崩溃；

在这种情况下，如何保证数据的一致性？

1.  提案投票：基于投票策略，2PC
2.  选举投票：基于投票策略，投出`优先级最高的节点`（包含最新数据的节点）

> **Paxos 目标**：解决`分布式一致性`问题，提高分布式系统`容错性`的一致性算法。
> 
> **Paxos 本质**：基于`消息传递`的`高度容错`的`一致性算法`

### ZooKeeper 定位 ###

ZooKeeper ：

1.  分布式协调服务
2.  高效、可靠
3.  方便应用程序，聚焦`业务逻辑开发`，而不需要过多关注`分布式进程间协作细节`

ZooKeeper 不直接暴露`原语`，而是，暴露一部分`调用方法`组成的 API，类似文件系统的 API，支持应用程序实现自己的`原语`。

### ZooKeeper 特性 ###

ZooKeeper 可以保证如下分布式一致性特性：

*  顺序一致性：同一个 Client 发起的事务请求，严格按照发起顺序执行
 *  原子性：事务请求，要么应用到所有节点，要么一个节点都没有应用
 *  单一视图：Client 无论连接到哪个节点，看到的服务端数据都是一致的（Note：不准确，其实是**最终一致性**）
 *  可靠性：事务一旦执行成功，状态永久保留
 *  实时性：事务一旦执行成功，Client 并不能立即看到最新数据，但 ZooKeeper 保证**最终一致性**

### ZooKeeper 设计目标 ###

ZooKeeper 致力于提供`高性能`、`高可用`、`顺序一致性`的分布式协调服务，保证数据`最终一致性`。关注公众号互联网架构师回复2T可以获取 Zookeeper 及 Java系列架构视频。

#### 目标一：高性能（简单的数据模型） ####

1.  采用`树形结构`组织数据节点；
2.  全量数据节点，都存储在内存中；
3.  Follower 和 Observer 直接处理非事务请求；

#### 目标二：高可用（构建集群） ####

1.  半数以上机器存活，服务就能正常运行
2.  自动进行 Leader 选举

#### 目标三：顺序一致性（事务操作的顺序） ####

1.  每个事务请求，都会转发给 Leader 处理
2.  每个事务，会分配全局唯一的递增id（zxid，64位：epoch + 自增 id）

#### 目标四：最终一致性 ####

1.  通过提议投票方式，保证事务提交的可靠性
2.  提议投票方式，只能保证 Client 收到事务提交成功后，半数以上节点能够看到最新数据

## ZooKeeper 出现之前 ##

ZK 出现之前，分布式系统常用两种方式，实现多进程协作：

1.  分布式锁管理器
2.  分布式数据库

ZK 更专注于进程协作，而不提供任何锁接口和通用的存储数据接口。（疑问：ZK 也可以提供啊，我们不使用就行了）

应用服务器，常见的 2 种需求：

1.  Master-Slave **Leader 选举**：要求提供Master节点选举功能
2.  进程响应跟踪 **崩溃检测**：要求提供进程存活状态的跟踪
3.  **分布式锁**：互斥排它锁

ZK 为上述 2 种策略提供了基础 API。

ZooKeeper 不适用的场景：

1.  海量数据存储：ZK 本质是`特殊的 FS`，但 ZK 用于存储`元数据`，需要单独存储`应用数据`

## 术语介绍 ##

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>术语</th> 
   <th>解释</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>分布式系统</td> 
   <td>跨多个物理主机，由多个独立运行的节点组成的系统</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>原语</td> 
   <td>业务上不可分割的元素/过程，举例：分布式锁原理，可以暴露<code>创建</code>、<code>查询</code>、<code>释放</code>几个方法</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

作者：NingG

地址：http://ningg.top/zookeeper-positioning/

参考资料

\[1\]

ZooKeeper-Distributed Process Coordination: *http://shop.oreilly.com/product/0636920028901.do*

\[2\]

从Paxos到Zookeeper分布式一致性原理与实践: *https://book.douban.com/subject/26292004/*

**- End -**

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[ZK _ZK]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2MTIzMzY3Mw%3D%3D&chksm=ea5f356ddd28bc7b728b0e26c4f758e0bdb42e03d2ea3628e8f4ee72c51801dffc6711989c43&idx=1&mid=2247497739&scene=21&sn=ea14decb1eb7465d16f273577bbec415#wechat_redirect
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