Zookeeper的基础知识是什么

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简介

Apache ZooKeeper是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务，由Client和Server构成，Server提供了一致性复制和存储服务，Client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的设计非常易于编程，ZooKeeper维护着一个hierarchal（层次）的名字空间，它采用树形的数据结构，类似于标准文件系统。因为想要从零实现一个分布式协作服务是非常难的。最常见的问题就是竞争条件和死锁。Apache ZooKeeper的目标就是封装好复杂易出错的关键服务，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。

Zookeepr的数据都存放在内存中（更新数据也会持久化到磁盘），所以它的吞吐量会非常高，同时延迟会很低。ZooKeeper的实现更重视high performance（高性能）, highly available（高可用性）, strictly ordered access（严格有序访问）。Zookeeper性能方面的表现让它能够用于大型分布式系统，高可用性可以避免出现单点故障，严格有序访问可以让Client实现复杂的同步原语。

Zookeeper系统模型

上图的哪些Server组成了Zookeeper服务，每个Server都知道彼此的存在。这些server在内存中保持着状态的镜像，还通过transaction logs和快照持久到硬盘中。只要集群中多数Server可访问，那么ZooKeeper服务就可用。

Clients会连接到某一个ZooKeeper Server上。Client和Server保持一个TCP长连接，通过该TCP长连接，Client可以发送请求，得到response，得到watch event，还有发送心跳（客户端和服务端通过心跳来保持连接，即session）。如果和Server的TCP长连接断了，那么Client就会连接到另外一个Server上。

Zookeeper是有序的：Zookeeper用stamps(数字)作为所有事务的顺序。

Zookeeper是非常快的：特别是以读为主的情况下，Zookeeper应用程序可以运行在数千台机器上，它性能表现最佳的是在读写比率为10:1的情况下。

Zookeeper数据模型

ZooKeeper数据模型的结构与Unix文件系统很类似，整体上可以看作是一棵树，每个节点称做一个ZNode。每个ZNode上可存储少量数据(默认是1M, 可以通过配置修改, 通常不建议在ZNode上存储大量的数据)，下面说说Zookeeper几个比较重要的概念：

一，Znode

1，Zookeeper节点称为Znode，每个节点都有唯一的路径标示。Znode分类两类：1，普通的Znode；2，ephemeral（临时）Znode
2，Znode维护了stat结构，里面包含数据，ACL变更的版本号，还有时间戳去允许缓存验证和协调更新。当znode的data改变了，版本号就会增加
3，Znode可以有子节点，并且Znode可以存放数据，但是ephemeral（临时）Znode不能有子节点。
4，Znode数据可以有多个版本，客户端可以根据版本获取该节点的数据。
5，如果创建ephemeral（临时）Znode的客户端和服务端失去连接的话，那么该零时节点也自动删除。
6，Znode可以自动编号。
7，Znode中可以添加watch，该watch用于监控该节点存储的数据是否有修改，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。
8，Znode的读写操作都具备原子性，每个Znode都有一个访问控制列表（ACL）来控制谁能做什么操作。

二，Session
Client与ZooKeeper之间的通信，需要创建一个Session，这个Session会有一个超时时间。因为ZooKeeper集群会把Client的Session信息持久化，所以在Session没超时之前，Client与ZooKeeper Server的连接可以在各个ZooKeeper Server之间透明地移动。
在实际的应用中，如果Client与Server之间的通信足够频繁，Session的维护就不需要其它额外的消息了。否则，ZooKeeper Client会每T/3 ms发一次心跳给Server，如果Client 2T/3 ms没收到来自Server的心跳回应，就会换到一个新的ZooKeeper Server上。这里T是用户配置的Session的超时时间。

三，Watcher
ZooKeeper支持一种Watch操作，Client可以在某个ZNode上设置一个Watcher，来Watch该ZNode上的变化。如果该ZNode上有相应的变化，就会触发这个Watcher，把相应的事件通知给设置Watcher的Client。需要注意的是，ZooKeeper中的Watcher是一次性的，即触发一次就会被取消，如果想继续Watch的话，需要客户端重新设置Watcher。

四，事务日志和快照

dataDir目录指定了Zookeeper的数据目录，用于存储Zookeeper的快照文件（snapshot）。

dataLogDir定义了Zookeeper的事务日志目录，目录存放Zookeeper的事务日志，正常情况下，所有的更新操作在返回客户端更新成功前，Zookeeper肯定已经将本次更新操作写入到事务日志了（即磁盘中）。事务日志的文件名是log.，zxid是写入这个文件的第一个事务id。在完成若干次事务后会一次数据快照，将当前Server上所有节点的状态以快照文件的形式dump到磁盘上去，即snapshot文件。

Zookeeper角色

Zookeepr角色分可以分为四类：

Server的状态可以分为如下四种：

leading：当前Server为Leader。

following：当前Server为Follower。

observing：当前Server为Observer。

looking：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻。

Zookeeper特性

顺序一致性：按照客户端发送请求的顺序更新数据。Zookeeper是不属于强一致性，因为watcher没办法扑捉到每次的变化。
原子性：更新要么成功，要么失败，不会出现部分更新。
单一系统映像 ：无论客户端连接哪个server，都会看到同一个视图。
可靠性：具有简单、健壮、良好的性能，如果消息被到一台服务器接受，那么它将被所有的服务器接受。
时效性：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数据，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。

ZooKeeper原理

Zookeeper的核心是原子广播，通过Zab协议保证各个Server之间数据的同步。Zab协议有两种模式，分别是恢复模式（选举Leader）和广播模式（同步）。服务启动或者Leader崩溃后，Zab就会进入了恢复模式，当Leader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在工作过程中有四种状态：
    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。
    OBSERVING：不选举，只从Leader同步状态。

Zookeeper API

Zookeeper的一个设计目标是提供简单的编程接口，仅仅支持如下操作：

create：创建一个Znode。path是其路径，data是要存储在该Znode上的数据，createMode包括：PERSISTEN，PERSISTENT_SEQUENTAIL，EPHEMERAL，EPHEMERAL_SEQUENTAIL。

delete：删除一个Znode。可以删除指定版本的Znode，如果version设置为-1的话，就删除所有的版本。

exists：判断Znode是否存在，设置是否Watch这个Znode。

get data：读取指定Znode上的数据，并设置是否watch这个Znode。

set data：更新指定Znode的数据，并设置是否Watch这个Znode。

get children：更新指定ZNode的数据，并设置是否Watch这个Znode。

sync：把sync之前的更新操作都同步过来。

set acl：设置指定ZNode的Acl信息

get acl：获取指定ZNode的Acl信息

其他

读、写(更新)模式：
Zookeeper集群中，客户端可以从任意一个ZooKeeper服务器读取，这一特点保证了ZooKeeper有比较好的读性能；

写的请求会先Forwarder到Leader，然后由Leader来通过ZooKeeper中的原子广播协议，将请求广播给所有的Follower，Leader收到一半以上的写成功的Ack后，就认为该写成功了，就会将该写进行持久化，并告诉客户端写成功了。

WAL(Write-Ahead-Log)和Snapshot：
ZooKeeper也有WAL，每一个更新操作，ZooKeeper都会先写WAL，然后再对内存中的数据做更新，最后向Client通知更新结果。

ZooKeeper还会定期将内存中的目录树进行Snapshot，落地到磁盘上。其实跟HDFS中的fsimage和edits log是类似的。这么做的主要目的，一当然是数据的持久化，二是加快重启之后的恢复速度，如果全部通过Replay WAL的形式恢复的话，会比较慢。

FIFO：
对于每一个ZooKeeper客户端而言，所有的操作都是遵循FIFO顺序的，这一特性是由下面两个基本特性来保证的：

一是ZooKeeper Client与Server之间的网络通信是基于TCP，TCP保证了Client/Server之间传输包的顺序；

二是ZooKeeper Server执行客户端请求也是严格按照FIFO顺序的。

线性化：
ZooKeeper包括全局有序和偏序两种：

全局有序是针对服务器端。例如：在一台服务器上消息A在消息B前发布，那么所有服务器上的消息A都将在消息B前被发布；

偏序是针对客户端。例如：在同一个客户端发送消息B在消息A后发布，那么执行的顺序必将是先执行消息A然后在是消息B；

所有的更新操作都有严格的偏序关系，更新操作都是串行执行的，这一点是保证ZooKeeper功能正确性的关键。

使用场景

1，数据发布与订阅

2，名空间服务

3，分布式通知/协调

4，分布式锁

5，集群管理

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