Zookeeper入门看这篇就够了

简介

Zookeeper 是一个分布式应用程序的分布式开源协调服务。是Apache Hadoop 的一个子项目，主要用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题，例如：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 工作原理

ZooKeeper 核心是原子广播，该机制保证了各个Server之间的同步，实现这个机制的协议叫做 Zab协议 ，Zab协议有两个模式，他们分别是 “恢复模式 & 广播模式”。

恢复模式

Zab协议会让ZK集群进入崩溃恢复模式的情况如下：
（1）当服务框架在启动过程中
（2）当Leader服务器出现网络中断，崩溃退出与重启等异常情况。
（3）当集群中已经不存在过半的服务器与Leader服务器保持正常通信。

在所有的follower服务器中选举一台为Leader，当leader被选举出来，集群中有多数服务与新的Leader完成状态同步之后就会退出恢复模式，用来保证至少有一半的follower能和Leader保持数据一致，当多数的follower集群与leader数据保持一致的时候，就会进入消息广播模式。

状态同步保证了 Leader 和 Server具有相同的系统状态，所谓的状态同步其实就是数据的同步。

一旦leader 已经和多数的follower进行状态同步之后，它就开始广播消息，并且进入广播模式，这时候当一个server加入Zookeeper 服务中，它会在恢复模式下启动，发现leader，并和leader进行状态同步，同步结束后，它也参与消息广播，Zookeeper服务一直维持在 Broadcast状态，直到leader崩溃了或者leader失去了大部分的followers支持。

广播模式

消息广播模式，Zab协议消息广播过程使用的是原子广播协议，类似于一个二阶段提交，但是又有点不一样，并不是所有的follower节点都需要返回ack才进行一致性事务完成，只需要多数以上即可。

针对每个客户端的事务请求，leader服务器会为其生成对应的事务Proposal，并将其发送给集群中其余所有的机器，然后再分别收集各自的选票，最后进行事务提交。

  • leader 接收到消息请求后，将消息赋予一个全局唯一的 64 位自增的 Id，我们通常称之为zxid，通过 zxid 的大小比较即可实现有序的特性。
  • leader 通过 队列 保证发送的顺序性，将带有zxid的消息作为一个提案(proposal)分发给所有follower
  • 当follower 接收到proposal，先将proposal写到本地事务日志，写事务成功后再向Leader 回一个ACK确认
  • 当leader 接收到多数的ack确认后，leader 会向所有follower 发送 commit 命令，同意会在本地执行该消息。
  • 当follower 收到消息 commit 命令后，就会执行该消息。

消息广播模式流程示意图如下：

Image.png

首先客户端会轮询Zookeeper集群中的各个节点，当轮询到一台是follower，如果是读的请求，follower会返回请求结果，如果是增删改操作，follower 会向leader生成事务请求，针对客户端的事务请求，针对客户端的事务请求，leader会为这个生成对应的事务Proposal，然后发送集群中所有follower服务器，然后分别在收集各自的选票，最后进行事务提交。

Zab协议的二阶段提交，在提交过程中移除了中断提交过程的操作，对于Zookeeper集群来说，超过半数反馈Ack确认就代表事务成功，这种方式无法完成所有节点事务一致性问题，所以Zab协议采用恢复模式来解决数据不一致的问题。

消息广播协议是基于具有FIFO特性的TCP协议进行通讯，因此可以保证消息广播过程中的接收和发送的顺序性。

事务ID

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，所有的操作(proposal)都会在被提出时加上zxid，zxid是一个64位的数字，他高32位是epoch用来标识leader关系是否发生变化，每当有新的leader 被选举出来，都会有一个新的epoch，标识当前属于哪个leader的领导。

对于Zookeeper 来说，每次的变化都会产生一个唯一的事务id，zxid（ZooKeeper Transaction Id）通过zxid ，可以确定更新操作的先后顺序，如果说 zxid1 小于 zxid2，说明 zxid1比zxid先发生。

Zookeeper 模型

Zookeeper 是一个目录树结构，名称是由斜杠 (/) 分隔的一系列路径元素。ZooKeeper 命名空间中的每个节点都由路径标识。

ZooKeeper 层级树状结构

2.png

根节点 / 包含两个节点（/modele1 & /module2），其中节点 /module1 包含三个子节点(/module1/app1 & /module1/app2 & /module1/app3)，在Zookeeper 中，节点以绝对路径表示，不存在相对路径，出了根节点以外，其他节点不能以 / 结尾。

特性

资源共享： 例如存储空间，计算能力，数据，和服务等等

扩展性： 从软件和硬件上增加系统的规模

并发性： 多个用户同时访问

性能： 确保当负载增加的时候，系统想要时间不会有影响

容错性： 尽管一些组件暂时不可用了，整个系统仍然是可用的

API抽象： 系统的独立组件对用户隐藏，仅仅暴露服务

Zookeeper的角色

3.png
  • 领导者（leader） ：负责进行投票的发起和决议，更新系统状态
  • 学习者（learner） ：包括跟随者（follower）和观察者（observer），follower用于接受客户端请求并想客户端返回结果，在选主过程中参与投票
  • Observer ：可以接受客户端连接，将写请求转发给leader，但observer不参加投票过程，只同步leader的状态，observer的目的是为了扩展系统，提高读取速度
  • 客户端（client） ：请求发起方

保证

顺序一致性： 客户端的更新将按发送顺序应用。

原子性： 更新成功或失败，没有部分结果。

统一视图： 无论服务器连接到哪个服务器，客户端都将看到相同的服务视图。即，即使客户端故障转移到具有相同会话的不同服务器，客户端也永远不会看到系统的旧视图。

可靠性： 一旦应用更新了，它将从那时起一直存在，直到客户端覆盖更新。

及时性： 系统的客户视图保证在特定时间范围内是最新的。

Znode 节点

Znode有两种类型： 持久节点和临时节点 ，Znode的类型在创建的之后就不能在进行修改了。

临时节点

临时节点在客户端会话结束的时候，Zookeeper 会将临时节点(znode)删除，并且临时节点不能有子节点。利用临时节点的特性，我们可以使用临时节点来进行集群管理以及发现服务的上下线等。

创建临时节点命令：create -e /module1/app1 app1
创建一个临时节点为 “/module1/app1” ，数据为 “app1”

持久节点

持久节点不依赖于客户端会话，只有当客户端明确要删除持久节点(znode)的时候才会被删除

创建临时节点命令：create /module1 module1
创建一个临时节点为 “/module1” ，数据为 “module1”

顺序节点

ZooKeeper 中还提供了一种顺序节点的类型，每次创建顺序节点时候，ZooKeeper 都会在路径后面自动添加10为的数据中，例如 <path>0000000001 计数器会保证在同一父节点下唯一，创建节点的时候会添加顺序，常见分布式锁。

顺序节点只是节点的一种特性，也就说不管是 持久节点还是 临时节点 都可以设置为顺序节点，所以Znode类型可以理解为 4种类型：

  1. 持久节点
  2. 临时节点
  3. 持久顺序节点
  4. 临时顺序节点

创建顺序节点命令（加上 “-s”参数）：create -s /module1/app app

我们会看到 Created /module1/app0000000001

意思是我们创建了一个持久顺序节点“/module1/app0000000001” 如果再执行上面命令 会生成节点 “/module1/app0000000002”，同理 如果我们 create -s后面添加 -e 参数，就表示我们创建了一个临时节点。

节点数据

  • 创建节点的时候，我们可以指定节点中存储的数据，ZooKeeper可以保证读写都是原子操作，而且每次读写操作都是对数据的完整读取或者完成写入，不提供对数据的部分读取或者写入操作。
  • ZooKeeper 虽然提供了节点存储数据的功能，但是我们并不能把它当成一个数据库，重点不要把Zookeeper 当成数据库用，因为Zookeeper 规定了节点的数据大小不能超过1M，所以我们不能在节点上存储过多的数据，尽可能保证小的数据量，因为数据过大，会导致ZK的性能下降。
  • 如果确实需要存储大量的数据，一般可以在分布式数据库或者Redis保存这部分数据，然后在Znode中保留数据库中的索引。

Zookeeper单机模式安装

java 环境

配置JAVA环境，检验环境 java -version

下载安装Zookeeper

下载地址：https://zookeeper.apache.org/releases.html

4.png
5.png

下载解压Zookeeper

 cd /usr/local/
 get https://dlcdn.apache.org/zookeeper/zookeeper-3.7.0/apache-zookeeper-3.7.0-bin.tar.gz
 tar -zxvf apache-zookeeper-3.7.0-bin.tar.gz
cd zookeeper-3.7.0/

重命名配置文件 zoo_sample.cfg

cp conf/zoo_sample.cfg conf/zoo.cfg

启动ZK

./bin/zkServer.sh start

连接ZK客户端

./bin/zkCli.sh

当我们看到下图的信息的时候，表示我们启动成功

8.png

Zookeeper命令

基本命令

  • create : 在树中的某个位置创建一个节点
  • delete : 删除一个节点存在：测试节点是否存在于某个位置
  • get data : 从节点读取数据
  • set data： 将数据写入节点
  • get children : 检索节点的子节点列表
  • sync : 等待数据被传播

操作Zookeeper

  1. 查看Zookeeper中包含的key
ls /
  1. 创建一个新的Znode
    创建成功以后我们可以使用 ls /查看我们创建的内容
create /zkMxn muxiaonong

 ls /
[zkMxn, zookeeper]
  1. get命令获取创建Znode的内容
get /zkMxn
  1. set 命令来对 zk 所关联的字符串进行设置
set /zkMxn mxn666
  1. 删除Znode
 delete /zkMxn

Java Api操作 ZK

1. 导入Jar包

<dependency>    
        <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>   
        <artifactId>zookeeper</artifactId>
        <version>3.6.3</version>
</dependency>
<!--junit单元测试--> 
<dependency> 
        <groupId>junit</groupId> 
        <artifactId>junit</artifactId> 
        <version>4.13.2</version> 
        <scope>runtime</scope> 
 </dependency>

2. API操作Zookeeper

创建Zookeeper对象

    public ZooKeeper(String connectString, int sessionTimeout, Watcher watcher) throws IOException {
        this(connectString, sessionTimeout, watcher, false);
    }
  • connectString： 连接的地址，包括主机名和端口号，多个的话用逗号隔开
  • sessionTimeout： 等待客户端通信的最长时间，客户端如果超过这个时间没有和服务端进行通信，那么就认为该客户端已经终止，一般设置值为 5-10秒，单位为毫秒
  • watcher： 监听器，用于接收会话事件的接口，需要自己定义，实现process()方法

连接Zookeeper

Zookeeper zkClient = "";
String connectStr = "192.168.2.1:2181";
zkClient = new ZooKeeper(connectStr, 5000, new Watcher() {
    @Override
    public void process(WatchedEvent watchedEvent) { }
});

创建节点

public String create(String path, byte[] data, List<ACL> acl, CreateMode createMode) throws KeeperException, InterruptedException {}
  • path： 节点路径
  • data： 节点数据
  • acl： 节点权限，例如：ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE

OPEN_ACL_UNSAFE：完全开发，采用world验证模式，由于每个ZK连接都有world验证模式，所以当我们节点设置了该参数时，对所有连接开放
CREATOR_ALL_ACL： 创建该Znode连接的拥有所有权限，这里采用的是auth验证模式，用sessionID做验证，如果设置了该参数，只有创建改Znode节点的连接才能对这个Znode进行任何操作
READ_ACL_UNSAFE：所有的客户端都可读，这里采用world验证模式，和第一条同理，所有连接都可以读取该znode

  • createMode： 节点类型，例如：CreateMode.PERSISTENT

PERSISTENT：持久节点
PERSISTENT_SEQUENTIAL：持久有序节点
EPHEMERAL：短暂节点
EPHEMERAL_SEQUENTIAL：短暂有序节点

完整APIDemo：


import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.apache.zookeeper.*;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/** @Author mxn
  * @Description //TODO ZooKeeper Java API测试
  * @Date 10:22 2021/9/29
  * @Param
  * @return
 **/
@Slf4j
public class ZookeeperTest {

    // IP 和端口
    private final static String ipAddress = "192.168.2.123:2181";


    public static void main(String[] args) {
        ZookeeperTest test = new ZookeeperTest();

        String key = "/zkMxn";
        String value = "wo is muxiaonong";
        //创建Znode
        test.add(key,value);
//        获取节点数据
//        test.get(key);
        //修改节点数据
//        test.modify(key,"wo is zhuzhuxia");
        //删除节点
//        test.delete(key);


    }

    /**
     * @return
     * @Author mxn
     * @Description //TODO 获取ZooKeeper连接
     * @Date 10:22 2021/9/29
     * @Param
     **/
    public static ZooKeeper getConntection() {
        ZooKeeper zooKeeper = null;
        try {
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
            //watch机制(回调)，监听是否连接成功
            zooKeeper = new ZooKeeper(ipAddress, 5000, new Watcher() {
                @Override
                public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                    if (Event.KeeperState.SyncConnected == watchedEvent.getState()) {
                        //如果受收到了服务端的响应事件，连接成功
                        countDownLatch.countDown();
                    }
                }
            });

            countDownLatch.await();
            log.info("zookeeper状态：{}",zooKeeper.getState());//CONNECTED

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return zooKeeper;
    }

   /** @Author lyy
     * @Description //TODO 关闭ZooKeeper连接
     * @Date 14:57 2021/9/29
     * @Param 
     * @return 
    **/
    public static void closeConnection(ZooKeeper zooKeeper) {
        try {
//            zooKeeper.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    
    /** @Author lyy
      * @Description //TODO 添加节点
      * @Date 13:36 2021/9/29
      * @Param 
      * @return 
     **/
    public void add(String key ,String value) {
        ZooKeeper zooKeeper = ZookeeperTest.getConntection();
        try {
            //参数类型
            //1.key
            //2.value
            //3.对应的ACL,当前节点的权限控制
            //4.设置当前节点类型
            zooKeeper.create(key, value.getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
            ZookeeperTest.closeConnection(zooKeeper);
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

   /** @Author lyy
     * @Description //TODO 获取节点信息
     * @Date 14:57 2021/9/29
     * @Param 
     * @return 
    **/
    public void get(String key) {
        ZooKeeper zooKeeper = ZookeeperTest.getConntection();
        Stat stat = new Stat();
        String data = null;
        try {
            byte[] bytes = zooKeeper.getData(key, null, stat);
            data = new String(bytes, "gbk");
            log.info("当前节点信息:{}",data);
            ZookeeperTest.closeConnection(zooKeeper);
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /** @Author lyy
      * @Description //TODO 修改节点信息
      * @Date 14:57 2021/9/29
      * @Param 
      * @return 
     **/
    public void modify(String key,String newValue) {
        ZooKeeper zooKeeper = ZookeeperTest.getConntection();
        Stat stat = new Stat();
        //version乐观锁概念,此处需要获取version信息，则需要先get拿到节点信息
        try {
            //获取节点(修改需要version信息)
            zooKeeper.getData(key, null, stat);
            //再修改
            zooKeeper.setData(key, newValue.getBytes(), stat.getVersion());
            ZookeeperTest.closeConnection(zooKeeper);
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

   /** @Author lyy
     * @Description //TODO 删除节点
     * @Date 14:57 2021/9/29
     * @Param 
     * @return 
    **/
    public void delete(String key) {
        ZooKeeper zooKeeper = ZookeeperTest.getConntection();
        Stat stat = new Stat();
        try {
            //获取节点(删除需要version信息)
            zooKeeper.getData(key, null, stat);
            //删除节点
            zooKeeper.delete(key, stat.getVersion());
            ZookeeperTest.closeConnection(zooKeeper);
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

总结

到这里我们对Zookeeper 大概有个入门级的了解了，不过Zookeeper远远比我们这里讲述的功能多，如何用Zookeeper实现集群管理、分布式锁，队列等等，小农会在后面的文章中进行讲解，关注我，后续精彩内容第一时间推送。

我是牧小农，怕什么真理无穷，进一步有进一步的欢喜，大家加油！！！

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