ZooKeeper基础概念

骑猪看日落 2023-05-29 02:48 6阅读 0赞

ZooKeeper项目起源  
ZooKeeper起源于Yahoo的研究项目。研究人员发现，Yahoo内部很多大型系统需要依赖一个系统进行分布式协调，但这些系统往往都存在分布式单点问题。因此Yahoo研究人员试图研发一套通用的、无单点问题的分布式协调框架，以便研发人员将精力集中在业务逻辑上。

分布式系统概述：  
分布式系统是跨越多个物理机器，独立运行的多个软件系统所组成大系统。分布式系统就比如一群人一起干活。人多力量大，每个服务器的算力是有限的，但是通过分布式系统，由n个服务器组成起来的集群，算力是可以无限扩张的。

为什么需要引入ZooKeeper？  
分布式系统需要一个主控、协调或控制程序来管理在物理上分布的子进程（如状态、资源分配等），集群中的系统需要开发自主的协调程序，缺乏通用框架。ZooKeeper最为主要的使用场景，是分布式系统的分布协同服务。  
ZooKeeper是分布式服务框架，是Apache Hadoop一个子项目，它主要是用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题，如：统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理等。

ZooKeeper特点  
ZooKeeper 作为一个分布式服务框架，主要用来解决分布式集群中应用系统一致性问题，它提供类似于文件系统的目录节点树方式的存储数据。但是 ZooKeeper 并不是用来专门存储数据的，它的核心作用主要是用来维护和监控你存储的数据的状态变化。  
简单来说ZooKeeper = 文件系统 + 监听通知机制。

ZooKeeper基本原理  
ZooKeeper 从设计模式角度来看，是一种基于观察者模式的分布式服务框架。ZooKeeper可以被当做注册中心。ZooKeeper存储和管理系统中都关心的数据，然后接受观察者的注册，一旦这些数据的状态发生变化，ZooKeeper就将负责通知已经注册的观察者。

Watcher(事件监听器，观察者监听器)  
Watcher 节点监听是ZooKeeper 中一个很重要的特性。ZooKeeper允许用户在指定节点上注册一些 Watcher，并且在一些特定事件触发的时候，ZooKeeper 服务端会将事件通知到感兴趣的客户端上去。该机制是 ZooKeeper 实现分布式协调服务的重要特性。

ZooKeeper应用场景  
ZooKeeper 是一种典型的分布式环境下数据一致性的解决方案。分布式应用程序可以基于 ZooKeeper 实现诸如数据发布/订阅、负载均衡、命名服务、分布式协调/通知、集群管理、分布式锁和分布式队列等功能。  
　　　　数据发布与订阅（配置中心）  
　　　　命名服务  
　　　　分布式协调服务/通知  
　　　　分布式锁

ZooKeeper应用场景-命名服务  
分布式应用中，通常需要有一套完整的命名规则，既能够产生唯一的名称又便于人识别和记住，通常情况下用树形的名称结构是一个理想的选择，树形的名称结构是一个有层次的目录结构。命名服务是 ZooKeeper 内置的基本功能，调用ZooKeeper的create接口很容易创建一个目录节点。

ZooKeeper应用场景-配置管理  
配置管理在分布式环境中很常见。  
假设我们的程序是分布式部署在多台机器上，如果我们要改变程序的配置文件，需要逐台机器去修改，非常麻烦，现在把这些配置全部放到ZooKeeper上去，保存在 ZooKeeper 的某个目录节点中，然后所有相关应用程序对这个目录节点进行监听，一旦配置信息发生变化，每个应用程序就会收到 ZooKeeper 的通知，然后从 ZooKeeper 获取新的配置信息应用到系统中。  
例子：例如一个应用系统需要多台PC服务器运行，但是它们运行的某些配置项是相同的，如果要修改这些配置项，那么就必须同时修改每台运行这个系统的PC服务器，非常麻烦且容易出错。  
像这样的配置信息可交给ZooKeeper管理。配置信息保存在ZooKeeper某个目录节点中，然后所有需要修改的PC监控配置信息状态，一旦配置信息发生变化，每台PC都会收到 ZooKeeper的通知，然后从ZooKeeper获取新的配置信息到自己系统中。

ZooKeeper应用-集群管理  
在ZooKeeper中，节点分为两类，第一类同样是指构成集群的机器，我们称之为机器节点；第二类则是指数据模型中的数据单元，我们称之为数据节点一一ZNode。  
ZooKeeper允许分布式进程通过共享的层次结构命名空间进行相互协调，这与标准文件系统类似。  
Zoopkeeper提供一套分布式集群管理机制，基于层次型目录树的数据结构，对树中的节点进行有效管理，进而可设计出多种多样的分布式数据管理模型，而不仅仅局限于上面提到的几个常用应用场景。

ZooKeeper部署  
ZooKeeper配置简单，每个节点的配置文件(zoo.cfg)都是一样的，只有 myid 文件不同。myid 的值必须是 zoo.cfg中server.\{数值\} 的\{数值\}部分。

ZooKeeper单点故障（容错）  
ZooKeeper是一个分布式系统，只要半数以上节点存活，ZooKeeper就能正常服务，具备高可用性。只要集群中大部分机器可用，那么ZooKeeper本身仍然可用，能容忍一定比例的单点机器故障。

ZooKeeper节点  
ZooKeeper的结构是一种树形结构。  
ZooKeeper节点有两种类型，临时（ephemeral）和持久（persistent）节点概念。  
创建临时节点的客户端会话一直保持活动，临时节点就一直存在，而当会话终结时，临时节点被删除。临时节点的生命周期跟客户端会话绑定，一旦客户端会话失效，那么客户端创建的所有临时节点都会被移除。  
持久节点是指一旦这个树形节点被创建，除非主动对节点进行移除操作，否则节点将一直保存在ZooKeeper系统中。  
ZooKeeper有四种类型的ZooKeeper节点：  
PERSISTENT-持久化目录节点  
客户端与ZooKeeper断开连接后，该节点依旧存在。  
PERSISTENT\_SEQUENTIAL：持久化顺序编号目录节点。  
客户端与ZooKeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是ZooKeeper给该节点名称进行顺序编号。  
EPHEMERAL-临时目录节点  
客户端与ZooKeeper断开连接后，该节点被删除。  
EPHEMERAL\_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点。  
客户端与ZooKeeper断开连接后，该节点被删除，只是ZooKeeper给该节点名称进行顺序编号。

节点操作：  
在ZooKeeper中，能改变ZooKeeper服务器状态的操作称为事务操作。一般包括数据节点  
创建与删除、数据内容更新和客户端会话创建与失效等操作。对应每一个事务请求，ZooKeeper都会为其分配一个全局唯一的事务ID，用 ZXID 表示，通常是一个64位的数字。每一个 ZXID对应一次更新操作，从这些 ZXID 中可以间接地识别出 ZooKeeper 处理这些事务操作请求的全局顺序。  
ZooKeeper数据操作  
ZooKeeper数据操作原子性，一次数据更新要么成功，要么失败。

每一个Server代表一个安装ZooKeeper服务的服务器。组成ZooKeeper服务的集群都会在内存中维护当前服务器状态，并且每台服务器之间都互相保持着通信。

会话（Session）  
Session是ZooKeeper服务器与客户端会话，ZooKeeper中的Session通过客户端和服务器之间的TCP 长连接实现。  
客户端对ZooKeeper集群发送的请求，需要先和ZooKeeper集群建立会话。客户端提交给ZooKeeper的所有操作均存活在一个会话中。当一个会话终止时，会话期间创建的临时节点将会消失。若当前服务器的问题，无法继续通信时，会话将被透明的转移到另外一台ZooKeeper集群的服务器上。  
客户端启动的时候，会与服务器建立一个TCP连接，从第一次连接建立开始，客户端会话的生命周期开始。  
通过这条TCP连接，客户端通过心跳检测与服务器保持有效的会话，向ZooKeeper服务器发送请求或接受响应，同时还能通过该连接接收来自服务器的Watch事件通知。  
Session的sessionTimeout值用来设置一个客户端会话的超时时间。  
当由于服务器压力太大、网络故障或是客户端主动断开连接等各种原因导致客户端TCP断开时，只要在sessionTimeout规定时间内能够重新连接上集群中任意一台服务器，那么之前创建的会话仍然有效。  
在为客户端创建会话之前，服务端会为每个客户端都分配一个sessionID。  
由于sessionID是ZooKeeper会话的一个重要标识，许多与会话相关的运行机制都是基于这个 sessionID 。