Zookeeper详解

缺乏、安全感 2022-05-24 02:38 293阅读 0赞

1. Zookeeper简介

ZooKeeper是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务，它包含一个简单的原语集，分布式应用程序可以基于它实现同步服务，配置维护和命名服务等。Zookeeper是hadoop的一个子项目，其发展历程无需赘述。在分布式应用中，由于工程师不能很好地使用锁机制，以及基于消息的协调机制不适合在某些应用中使用，因此需要有一种可靠的、可扩展的、分布式的、可配置的协调机制来统一系统的状态。Zookeeper的目的就在于此。本文简单分析zookeeper的工作原理，对于如何使用zookeeper不是本文讨论的重点。

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2. Zookeeper设计目的

2.1  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。

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

2.3   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。

2.4   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。

2.5   原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。

2.6   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。

3. Zookeeper数据模型

Zookeeper会维护一个具有层次关系的数据结构，它非常类似于一个标准的文件系统，如图所示：

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Zookeeper这种数据结构有如下这些特点：

1）每个子目录项如NameService都被称作为znode，这个znode是被它所在的路径唯一标识，如Server1这个znode的标识为/NameService/Server1。

2）znode可以有子节点目录，并且每个znode可以存储数据，注意EPHEMERAL（临时的）类型的目录节点不能有子节点目录。

3）znode是有版本的（version），每个znode中存储的数据可以有多个版本，也就是一个访问路径中可以存储多份数据，version号自动增加。

4）znode可以是临时节点（EPHEMERAL），可以是持久节点（PERSISTENT）。如果创建的是临时节点，一旦创建这个EPHEMERALznode的客户端与服务器失去联系，这个znode也将自动删除，Zookeeper的客户端和服务器通信采用长连接方式，每个客户端和服务器通过心跳来保持连接，这个连接状态称为session，如果znode是临时节点，这个session失效，znode也就删除了。

5）znode的目录名可以自动编号，如App1已经存在，再创建的话，将会自动命名为App2。

6）znode可以被监控，包括这个目录节点中存储的数据的修改，子节点目录的变化等，一旦变化可以通知设置监控的客户端，这个是Zookeeper的核心特性，Zookeeper的很多功能都是基于这个特性实现的。

7）ZXID：每次对Zookeeper的状态的改变都会产生一个zxid（ZooKeeper Transaction Id），zxid是全局有序的，如果zxid1小于zxid2，则zxid1在zxid2之前发生。

4. 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。

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

## 4.1 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。先介绍basic paxos流程：

1.  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.  2 .选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；
3.  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.  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.  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。选主的具体流程图如下所示：

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fast paxos流程是在选举过程中，某Server首先向所有Server提议自己要成为leader，当其它Server收到提议以后，解决epoch和zxid的冲突，并接受对方的提议，然后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后一定能选举出Leader。其流程图如下所示：

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## 4.2 同步流程 ##

选完leader以后，zk就进入状态同步过程。

1.  1. leader等待server连接；
2.  2 .Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；
3.  3 .Leader根据follower的zxid确定同步点；
4.  4 .完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；
5.  5 .Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。

流程图如下所示：

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## 4.3 工作流程 ##

### 4.3.1 Leader工作流程 ###

Leader主要有三个功能：

1.  1 .恢复数据；
2.  2 .维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；
3.  3 .Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根据不同的消息类型，进行不同的处理。

PING消息是指Learner的心跳信息；REQUEST消息是Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求；ACK消息是Follower的对提议的回复，超过半数的Follower通过，则commit该提议；REVALIDATE消息是用来延长SESSION有效时间。  
Leader的工作流程简图如下所示，在实际实现中，流程要比下图复杂得多，启动了三个线程来实现功能。

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### 4.3.2 Follower工作流程 ###

Follower主要有四个功能：

1.  向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
2.  接收Leader消息并进行处理；
3.  接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；
4.  返回Client结果。

Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：

1.  PING消息： 心跳消息；
2.  PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；
3.  COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；
4.  UPTODATE消息：表明同步完成；
5.  REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；
6.  SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。

Follower的工作流程简图如下所示，在实际实现中，Follower是通过5个线程来实现功能的。

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5. Zookeeper监视（Watches）

*  （一次性触发）One-time trigger
 *  （发送至客户端）Sent to the client
 *  （被设置 watch 的数据）The data for which the watch was set

Zookeeper 中的监视是轻量级的，因此容易设置、维护和分发。当客户端与 Zookeeper 服务器端失去联系时，客户端并不会收到监视事件的通知，只有当客户端重

新连接后，若在必要的情况下，以前注册的监视会重新被注册并触发，对于开发人员来说 这通常是透明的。只有一种情况会导致监视事件的丢失，即：通过

exists() 设置了某个 znode 节点的监视，但是如果某个客户端在此 znode 节点被创建和删除的时间间隔内与 zookeeper 服务器失去了联系，该客户端即使稍后重

新连接 zookeeper服务器后也得不到事件通知。

##### Watch事件类型： #####

ZOO\_CREATED\_EVENT：节点创建事件，需要watch一个不存在的节点，当节点被创建时触发，此watch通过zoo\_exists()设置  
ZOO\_DELETED\_EVENT：节点删除事件，此watch通过zoo\_exists()或zoo\_get()设置  
ZOO\_CHANGED\_EVENT：节点数据改变事件，此watch通过zoo\_exists()或zoo\_get()设置  
ZOO\_CHILD\_EVENT：子节点列表改变事件，此watch通过zoo\_get\_children()或zoo\_get\_children2()设置  
ZOO\_SESSION\_EVENT：会话失效事件，客户端与服务端断开或重连时触发  
ZOO\_NOTWATCHING\_EVENT：watch移除事件，服务端出于某些原因不再为客户端watch节点时触发

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