一文彻底搞懂Zookeeper

Posted 2021-12-13 刘元涛

本文是基于CentOS 7.9系统环境，进行Zookeeper的学习和使用

1. Zookeeper简介

1.1 什么是Zookeeper

Zookeeper是一个开源的分布式的，为分布式应用提供协调服务的Apache项目。本质上，就是文件系统+通知机制

1.2 Zookeeper工作机制

Zookeeper从设计模式角度来理解：是一个基于观察者模式设计的分布式服务管理框架，它负责存储和管理大家都关心的数据，然后接受观察者的注册，一旦这些数据的状态发生变化，Zookeeper就负责通知已经在Zookeeper上注册的那些观察者做出相应的反应

1.3 Zookeeper特点

1. Zookeeper：一各领导者（Leader），多个跟随者（Follower）组成的集群
2. 集群中只要有半数以上节点存活，Zookeeper集群就能正常服务，所以zookeeper适合安装奇数台服务器
3. 全局数据一致：每个server保存一份相同的数据副本，client无论连接到哪个server，数据都是一致的
4. 更新请求顺序进行，来自同一个client的更新请求按其发送顺序依次执行
5. 数据更新原子性，一次数据更新要么成功，要么失败
6. 实时性，在一定时间范围内，client能读到最新数据

1.4 Zookeeper数据结构

与Unix文件系统类似，整体上是一棵树，每一个节点称为znode，每一个znode默认存储1MB数据，每个znode都可以通过其路径唯一标识

1.5 Zookeeper应用场景

提供的服务包括：统一命名服务、统一配置管理、统一集群管理、服务器节点动态上下线、软负载均衡等

1.5.1 统一命名服务

在分布式环境下，经常需要对应用/服务进行统一命令，便于识别

1.5.2 统一配置管理

• 分布式环境下，配置文件同步非常常见

（1）一般要求一个集群中，所有节点的配置信息是一致的，比如kafka集群；
（2）对配置文件修改后，希望能够快速同步到各个节点上。

• 配置管理可交由zookeeper实现

（1）可将配置信息写入Zookeeper上的一个Znode；
（2）各个客户端服务器监听这个Znode；
（3）一旦Znode中的数据被修改，Zookeeper将通知各个客户端服务器。

1.5.3 统一集群管理

分布式环境下，实时掌握每个节点的状态是必要的
（1）可根据节点实时状态做出一些调整。
Zookeeper可以实现实时监控节点状态变化
（1）可将节点信息写入Zookeeper上的一个Znode；
（2）监听这个Znode可获取它的实时状态变化。

1.5.4 服务器节点动态上下线

客户端能实时洞察到服务器上下线的变化

1.5.5 软负载均衡

在Zookeeper中记录每台服务器的访问数，让访问数最少的服务器去处理最新的客户端请求

1.6 Zookeeper选举机制

• 半数机制：集群中半数以上机器存活，集群可用。所以Zookeeper适合安装奇数台服务器。
• Zookeeper虽然在配置文件中并没有指定Master和Slave。但是，Zookeeper工作时，是有一个节点为Leader，其他则为Follower，Leader是通过内部的选举机制临时产生的。
• 以一个简单的例子来说明整个选举的过程。

假设有五台服务器组成的Zookeeper集群，它们的id从1-5，同时它们都是最新启动的，也就是没有历史数据，在存放数据量这一点上，都是一样的。假设这些服务器依序启动，来看看会发生什么。
（1）服务器1启动，发起一次选举；
所有的服务器节点都会选自己作为leader， 此时服务器1投自己1票，但是只有它一台服务器启动了，它发出去的报文没有任何响应，所以选举无法完成；
服务器1的状态一直是LOOKING状态。
（2）服务器2启动，再发起一次选举；
服务器1和服务器2分别投自己1票，服务器之间进行通信，互相交换自己的选举结果，由于两者都没有历史选举数据，所以id值较大的服务器2胜出，服务器1更改投票为服务器2，但是由于没有达到超过半数以上的服务器都同意选举它(这个例子中的半数以上是3)，所以选举无法完成；
所以服务器1、2还是继续保持LOOKING状态。
（3）服务器3启动，根据前面的理论分析，服务器3成为服务器1、2、3中的老大，而与上面不同的是，此时有三台服务器选举了它，所以它成为了这次选举的Leader,；
服务器1、2还是更改状态为FOLLOWING状态，服务器3更改状态为LEADING。
（4）服务器4启动，发起一次选举；
此时，服务器1，2，3已经不是LOOKING状态，不会更改投票信息，服务器3会有3票，服务器4会投自己1票
根据少数服从多数，服务器4会更改自己的投票结果为服务器3；
服务器4更改状态为FOLLOWING状态
（5）服务器5启动，同4一样当小弟。

1.7 Zookeeper节点类型

• 持久

客户端和服务端断开连接后，创建的节点不删除

• 短暂

客户端和服务端断开连接后，创建的节自己删除

• 顺序编号

创建znode时设置顺序标识，znode名称后会附加一个值，顺序号是一个单调递增的计数器，由父节点维护；在分布式系统中，顺序号可以被用于为所有的事件进行全局排序，这样客户端可以通过顺序号推断事件的顺序

1. 持久化目录节点：客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在
2. 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在创建该节点时进行顺序编号
3. 临时目录节点：客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除
4. 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在创建该节点时进行顺序编号

1.8 Zookeeper监听器原理

1.8.1 常见的监听类型

监听节点数据的变化

get path [watch]

监听子节点增减的变化

ls path [watch]

1.8.2 监听器原理详解

1. 首先要有一个main()线程
2. 在main()线程中创建zookeeper客户端，这时就会创建两个线程，一个负责网络连接通信（connect），一个负责监听（listener）
3. 通过connect线程将注册的监听事件发送给zookeeper
4. 在zookeeper的注册监听器列表中将注册的监听事件添加到列表中
5. zookeeper监听到有数据或路径变化，就会将这个消息发送给listener线程
6. listener线程内部调用了process()方法

1.9 Zookeeper写数据原理

2. Zookeeper单节点standalone安装

2.1 集群规划

hostname	CPU	内存	组件	IP地址
hadoop101	2	4G	Zookeeper	192.168.1.100

2.2 解压安装

节点下分别执行

tar -zxvf zookeeper-3.4.10.tar.gz -C /opt/module/
mv zookeeper-3.4.10 zookeeper

2.3 配置zoo.cfg文件

mv zoo_sample.cfg zoo.cfg
vi zoo.cfg
# 修改如下信息
dataDir=/opt/module/zookeeper/zk-Data

2.4 启动集群

节点下分别执行

bin/zkServer.sh start

成功启动输出信息

[lytdev@es201 bin]$ ./zkServer.sh start
ZooKeeper JMX enabled by default
Using config: /opt/module/zookeeper/bin/../conf/zoo.cfg
Starting zookeeper ... STARTED

2.5 查看集群状态

节点下分别执行

bin/zkServer.sh status

成功启动输出信息

[lytdev@es201 bin]$ ./zkServer.sh status
ZooKeeper JMX enabled by default
Using config: /opt/module/zookeeper/bin/../conf/zoo.cfg
Mode: standalone

3. Zookeeper分布式安装

3.1 集群规划

hostname	CPU	内存	组件IP地址
hadoop101	2	4G	Zookeeper
hadoop104	2	4G	Zookeeper
hadoop105	2	4G	Zookeeper

3.2 解压安装

三个节点下分别执行

tar -zxvf zookeeper-3.4.10.tar.gz -C /opt/module/

3.3 配置服务器编号

hadoop101 节点下

mkdir -p zkData
cd zkData
vi myid
# 添加如下信息
1

hadoop104 节点下

mkdir -p zkData
cd zkData
vi myid
# 添加如下信息
4

hadoop105 节点下

mkdir -p zkData
cd zkData
vi myid
# 添加如下信息
5

3.4 配置zoo.cfg文件

mv zoo_sample.cfg zoo.cfg
vi zoo.cfg
# 修改如下信息
dataDir=/opt/module/zookeeper-3.4.10/zkData
# 添加如下信息
server.1=hadoop101:2888:3888
server.4=hadoop104:2888:3888
server.5=hadoop105:2888:3888

3.5 启动集群

三个节点下分别执行

bin/zkServer.sh start

3.6 查看集群状态

三个节点下分别执行

bin/zkServer.sh status

4. Zookeeper的使用

4.1 客户端命令行操作

基本语法	功能描述
help	显示所有操作命令
ls path [watch]	使用ls命令来查看当前znode中所包含的内容
ls2 path [watch]	查看当前节点数据并能看到更新次数等数据
create	普通创建
create -s	含有序列
create -e	临时创建（重启或者超时消失）
get path [watch]	获得节点的值
set	设置节点的具体值
stat	查看节点状态
delete	删除节点
deleteall	递归删除节点

** 启动客户端**

bin/zkCli.sh

查看当前znode所包含的内容

ls /

查看当前znode节点详细数据

ls2 /

创建znode节点

create /sanguo "lytdev"

获取znode节点的值

get /sanguo
get /sanguo/shuguo

创建短暂的znode节点

create -e /sanguo/wuguo "sunquan"

退出客户端

quit

创建带顺序号的znode节点

create -s /sanguo/weiguo "caocao"

修改znode节点的值

set /sanguo "diaochan"

监听znode节点的值的变化（只能监听一次）

get /sanguo watch

监听znode节点的子节点变化（只能监听一次）

ls /sanguo watch

删除znode节点

delete /sanguo/wuguo

递归删除znode节点

rmr /sanguo

5. Zookeeper的面试重点

5.1 如何保持数据全局一致性

zookeeper通过Zab协议保持数据全局一致性