zookeeper介绍

Posted 2020-10-26 老人与JAVA

一、概述

zookeeper主要分为：文件系统和通知机制。

Zookeeper 分布式服务框架是Apache Hadoop 的一个子项目，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 作为一个分布式的服务框架，主要用来解决分布式集群中应用系统的一致性问题，它能提供基于类似于文件系统的目录节点树方式的数据存储， Zookeeper 作用主要是用来维护和监控存储的数据的状态变化，通过监控这些数据状态的变化，从而达到基于数据的集群管理。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。

 

二、元素介绍

 

1、znode节点

有四种类型的znode：
1、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
2、 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
3、EPHEMERAL-临时目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除
4、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

2、NameService 命名服务

    这个似乎最简单，在zookeeper的文件系统里创建一个目录，即有唯一的path。在我们使用tborg无法确定上游程序的部署机器时即可与下游程序约定好path，通过path即能互相探索发现

  这个主要是作为分布式命名服务，通过调用zk的create node api，能够很容易创建一个全局唯一的path，这个path就可以作为一个名称。

3、configuration 配置管理

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就好。

4、GroupMembers 集群管理

所谓集群管理无在乎两点：是否有机器退出和加入、选举master。
对于第一点，所有机器约定在父目录GroupMembers下创建临时目录节点，然后监听父目录节点的子节点变化消息。一旦有机器挂掉，该机器与 zookeeper的连接断开，其所创建的临时目录节点被删除，所有其他机器都收到通知：某个兄弟目录被删除，于是，所有人都知道了。新机器加入也是类似，所有机器收到通知：新兄弟目录加入，highcount又有了。
对于第二点，所有机器创建临时顺序编号目录节点，通过master选举算法选举出来。

 

三、使用场景

 ZooKeeper是一个高可用的分布式数据管理与系统协调框架。基于对Paxos算法的实现，使该框架保证了分布式环境中数据的强一致性，也正是基 于这样的特性，使得zookeeper能够应用于很多场景。

 

数据发布与订阅

发布与订阅即所谓的配置管理，顾名思义就是将数据发布到zk节点上，供订阅者动态获取数据，实现配置信息的集中式管理和动态更新。例如全局的配置信息，地址列表等就非常适合使用。

1. 索引信息和集群中机器节点状态存放在zk的一些指定节点，供各个客户端订阅使用。

2. 系统日志（经过处理后的）存储，这些日志通常2-3天后被清除。
3. 应用中用到的一些配置信息集中管理，在应用启动的时候主动来获取一次，并且在节点上注册一个Watcher，以后每次配置有更新，实时通知到应用，获取最新配置信息。
4. 业务逻辑中需要用到的一些全局变量，比如一些消息中间件的消息队列通常有个offset，这个offset存放在zk上，这样集群中每个发送者都能知道当前的发送进度。
5. 系统中有些信息需要动态获取，并且还会存在人工手动去修改这个信息。以前通常是暴露出接口，例如JMX接口，有了zk后，只要将这些信息存放到zk节点上即可。


分布通知/协调

ZooKeeper 中特有watcher注册与异步通知机制，能够很好的实现分布式环境下不同系统之间的通知与协调，实现对数据变更的实时处理。使用方法通常是不同系统都对 ZK上同一个znode进行注册，监听znode的变化（包括znode本身内容及子节点的），其中一个系统update了znode，那么另一个系统能 够收到通知，并作出相应处理。

1. 另一种心跳检测机制：检测系统和被检测系统之间并不直接关联起来，而是通过zk上某个节点关联，大大减少系统耦合。

2. 另一种系统调度模式：某系统有控制台和推送系统两部分组成，控制台的职责是控制推送系统进行相应的推送工作。管理人员在控制台作的一些操作，实际上是修改 了ZK上某些节点的状态，而zk就把这些变化通知给他们注册Watcher的客户端，即推送系统，于是，作出相应的推送任务。

3. 另一种工作汇报模式：一些类似于任务分发系统，子任务启动后，到zk来注册一个临时节点，并且定时将自己的进度进行汇报（将进度写回这个临时节点），这样任务管理者就能够实时知道任务进度。

总之，使用zookeeper来进行分布式通知和协调能够大大降低系统之间的耦合。


分布式锁

分布式锁，这个主要得益于ZooKeeper为我们保证了数据的强一致性，即用户只要完全相信每时每刻，zk集群中任意节点（一个zk server）上的相同znode的数据是一定是相同的。锁服务可以分为两类，一个是保持独占，另一个是控制时序。
保持独占，就是所有试图来获取这个锁的客户端，最终只有一个可以成功获得这把锁。通常的做法是把zk上的一个znode看作是一把锁，通过create znode的方式来实现。所有客户端都去创建 /distribute_lock 节点，最终成功创建的那个客户端也即拥有了这把锁。
控制时序，就是所有视图来获取这个锁的客户端，最终都是会被安排执行，只是有个全局时序了。做法和上面基本类似，只是这里 /distribute_lock 已经预先存在，客户端在它下面创建临时有序节点（这个可以通过节点的属性控制：CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL来指定）。Zk的父节点（/distribute_lock）维持一份sequence,保证子节点创建的时序性，从而也形成了每个客户端的全局时序。

基于ZooKeeper分布式锁的流程：

0：保证锁根节点存在，若不存在则创建它

1：在zookeeper指定节点（locks）下创建临时顺序节点node_n

2：获取locks下所有子节点children

3：对子节点按节点自增序号从小到大排序

4：判断本节点是不是第一个子节点，若是，则获取锁；若不是，则监听比该节点小的那个节点的删除事件

5：若监听事件生效，则回到第二步重新进行判断，直到获取到锁

通过实现Watch接口，实现process(WatchedEvent event)方法来实施监控，使CountDownLatch来完成监控，在等待锁的时候使用CountDownLatch来计数，等到后进行countDown，停止等待，继续运行。

     WatchEvent有三种类型：NodeDataChanged、NodeDeleted和NodeChildrenChanged。

     调用setData()时会触发NodeDataChanged;

     调用create()时会触发NodeDataChanged和NodeChildrenChanged;

     调用delete()时上述三种event都会触发。

//stat为node的状态结构
Stat stat = zk.exists(LOCK_ROOT, false);  
   if (stat == null) {  
      zk.create(LOCK_ROOT, data, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);  
 }  

//创建时序持久节点
 lockId = zk.create(LOCK_ROOT + "/", data,  
                    ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,  
                    CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);  

            // 获得锁根节点下的各锁子节点，并排序  
            List<String> nodes = zk.getChildren(LOCK_ROOT, true);  
            SortedSet<String> sortedNode = new TreeSet<String>();  
  
            for (String node : nodes) {  
                sortedNode.add(LOCK_ROOT + "/" + node);  
            }  
  
            String first = sortedNode.first();  
            //选出比lockId小的节点
            SortedSet<String> lessThanMe = sortedNode.headSet(lockId);  
            //--------------------------------------------------------------  
            // 检查是否有比当前锁节点lockId更小的节点，若有则监控当前节点的前一节点  
            //--------------------------------------------------------------  
            if (lockId.equals(first)) {  
                System.out.println("thread " + Thread.currentThread().getName() +  
                        " has get the lock, lockId is " + lockId);  
                return true;  
            } else if (!lessThanMe.isEmpty()) {  
                String prevLockId = lessThanMe.last();  
                zk.exists(prevLockId, new LockWatcher());  
                //--------------------------------------------------------------  
                // 阀门等待sessionTimeout的时间  
                // 当等待sessionTimeout的时间过后，上一个lock的Zookeeper连接会过期，删除所有临时节点，触发监听器 ，执行process方法将闭锁cutDown放开锁获取机会。此时当前节点就是最小的节点了，所以会获得锁                
                //await（）等待计数器到0，（也就是等待持有锁的线程执行cutDown操作），直到超时。
                latch.await(sessionTimeout, TimeUnit.MILLISECONDS);  
                System.out.println("thread " + Thread.currentThread().getName() +  
                        " has get the lock, lockId is " + lockId);  
            }

 

class LockWatcher implements Watcher {  
        @Override  
        public void process(WatchedEvent event) {  
            //--------------------------------------------------------------  
            // 监控节点变化(本程序为序列的上一节点)  
            // 若为节点删除，证明序列的上一节点已删除，此时释放阀门让当前的lock获得锁  
            //--------------------------------------------------------------  
            if (event.getType() == Event.EventType.NodeDeleted)  
                latch.countDown();  
        }  
    }  

 

public void unlock() {
        try {
            System.out.println("释放锁 " + CURRENT_LOCK);
            zk.delete(CURRENT_LOCK, -1);
            CURRENT_LOCK = null;
            zk.close();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

 

集群管理

1. 集群机器监控：这通常用于那种对集群中机器状态，机器在线率有较高要求的场景，能够快速对集群中机器变化作出响应。这样的场景中，往往有一个监控系统，实时检测集群机器是否存活。过去的做法通常是：监控系统通过某种手段（比如ping）定时检测每个机器，或者每个机器自己定时向监控系统汇报“我还活着”。 这种做法可行，但是存在两个比较明显的问题：1. 集群中机器有变动的时候，牵连修改的东西比较多。2. 有一定的延时。

利用ZooKeeper有两个特性，就可以实时另一种集群机器存活性监控系统：a. 客户端在节点 x 上注册一个Watcher，那么如果 x 的子节点变化了，会通知该客户端。b. 创建EPHEMERAL类型的节点，一旦客户端和服务器的会话结束或过期，那么该节点就会消失。

2. Master选举则是zookeeper中最为经典的使用场景了。
在分布式环境中，相同的业务应用分布在不同的机器上，有些业务逻辑（例如一些耗时的计算，网络I/O处理），往往只需要让整个集群中的某一台机器进行执行， 其余机器可以共享这个结果，这样可以大大减少重复劳动，提高性能，于是这个master选举便是这种场景下的碰到的主要问题。
利用ZooKeeper的强一致性，能够保证在分布式高并发情况下节点创建的全局唯一性，即：同时有多个客户端请求创建 /currentMaster 节点，最终一定只有一个客户端请求能够创建成功。