一、 Zookeeper概述

1. 概述

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。Hadoop和Hbase的重要组件。它是一个为分布式应用提供一致性服务的软件，提供的功能包括：配置维护、域名服务、分布式同步、组服务等。

2. 特点

1）Zookeeper：一个领导者（leader），多个跟随者（follower）组成的集群。
2）Leader负责进行投票的发起和决议，更新系统状态。
3）Follower用于接收客户请求并向客户端返回结果，在选举Leader过程中参与投票。
4）集群中奇数台服务器只要有半数以上节点存活，Zookeeper集群就能正常服务。
5）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。
6）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。
7）数据更新原子性，一次数据更新要么成功，要么失败。
8）实时性，在一定时间范围内，client能读到最新数据。

3. 数据结构

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。每一个ZNode默认能够存储1MB的元数据，每个ZNode都可以通过其路径唯一标识。

数据结构图.png

4. 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。

5. 下载地址

https://zookeeper.apache.org/

二、 Zookeeper安装

1. 本地模式安装部署

a. 安装前准备

（1）安装jdk
（2）上传zookeeper到linux系统下
（3）修改tar包权限
chmod u+x zookeeper-3.4.10.tar.gz
（4）解压到指定目录
tar -zxvf zookeeper-3.4.10.tar.gz -C /opt/module/
（5）配置环境变量
vi /etc/profile
export ZOOKEEPER_HOME=/opt/module/zookeeper-3.4.10
export PATH=$PATH:$ZOOKEEPER_HOME/bin

b. 配置修改

将/opt/module/zookeeper-3.4.10/conf这个路径下的zoo_sample.cfg修改为zoo.cfg；
mv zoo_sample.cfg zoo.cfg
进入zoo.cfg文件：vim zoo.cfg
修改dataDir路径为
dataDir=/opt/module/zookeeper-3.4.10/zkData
在/opt/module/zookeeper-3.4.10/这个目录上创建zkData文件夹
[itstar@bigdata111 zookeeper-3.4.10]$ mkdir zkData

c. 操作zookeeper

（1）启动zookeeper
bin/zkServer.sh start
（2）查看进程是否启动
[root@bigdata111 ~]# jps
4020 Jps
4001 QuorumPeerMain
（3）查看状态：
[itstar@bigdata111 zookeeper-3.4.10]$ bin/zkServer.sh status
ZooKeeper JMX enabled by default
Using config: /opt/module/zookeeper-3.4.10/bin/../conf/zoo.cfg
Mode: standalone
（4）启动客户端：
[itstar@bigdata111 zookeeper-3.4.10]$ bin/zkCli.sh
（5）退出客户端：
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] quit
（6）停止zookeeper
[itstar@bigdata111 zookeeper-3.4.10]$ bin/zkServer.sh stop

image.png

2. 配置参数解读

解读zoo.cfg文件中参数含义
1）tickTime=2000：通信心跳数，Zookeeper服务器心跳时间，单位毫秒
Zookeeper使用的基本时间，服务器之间或客户端与服务器之间维持心跳的时间间隔，也就是每个tickTime时间就会发送一个心跳，时间单位为毫秒。
它用于心跳机制，并且设置最小的session超时时间为两倍心跳时间。(session的最小超时时间是2*tickTime)
2）initLimit=10：Leader和Follower初始通信时限
集群中的follower跟随者服务器与leader领导者服务器之间初始连接时能容忍的最多心跳数（tickTime的数量），用它来限定集群中的Zookeeper服务器连接到Leader的时限。
投票选举新leader的初始化时间
Follower在启动过程中，会从Leader同步所有最新数据，然后确定自己能够对外服务的起始状态。
Leader允许Follower在initLimit时间内完成这个工作。
3）syncLimit=5：Leader和Follower同步通信时限
集群中Leader与Follower之间的最大响应时间单位，假如响应超过syncLimit * tickTime，Leader认为Follwer死掉，从服务器列表中删除Follwer。
在运行过程中，Leader负责与ZK集群中所有机器进行通信，例如通过一些心跳检测机制，来检测机器的存活状态。
如果L发出心跳包在syncLimit之后，还没有从F那收到响应，那么就认为这个F已经不在线了。
4）dataDir：数据文件目录+数据持久化路径
保存内存数据库快照信息的位置，如果没有其他说明，更新的事务日志也保存到数据库。
5）clientPort=2181：客户端连接端口
监听客户端连接的端口

三、Zookeeper内部原理

1. 选举机制

Server ID： myid（权重越大）
Zxid：数据ID（先一数据低进行选择）
1）半数机制（Paxos 协议）：集群中半数以上机器存活，集群可用。所以zookeeper适合装在奇数台机器上。
2）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。
3）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，此时只有它一台服务器启动了，它发出去的报没有任何响应，所以它的选举状态一直是LOOKING状态。
（2）服务器2启动，它与最开始启动的服务器1进行通信，互相交换自己的选举结果，由于两者都没有历史数据，所以id值较大的服务器2胜出，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。
（4）服务器4启动，根据前面的分析，理论上服务器4应该是服务器1、2、3、4中最大的，但是由于前面已经有半数以上的服务器选举了服务器3，所以它只能接收当小弟的命了。
（5）服务器5启动，同4一样当小弟。

2. 节点类型

1）Znode有两种类型：
短暂（ephemeral）：客户端和服务器端断开连接后，创建的节点自己删除
持久（persistent）：客户端和服务器端断开连接后，创建的节点不删除
2）Znode有四种形式的目录节点（默认是persistent ）
（1）持久化目录节点（PERSISTENT）(小写：persistent)
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（PERSISTENT_SEQUENTIAL）
（小写：persistent_sequential）
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）临时目录节点（EPHEMERAL）(ephemeral)
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（EPHEMERAL_SEQUENTIAL）(ephemeral_sequential)
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。
3）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
4）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

image.png

3. stat结构体

1）czxid- 引起这个znode创建的zxid，创建节点的事务的zxid
每次修改ZooKeeper状态都会收到一个zxid形式的时间戳，也就是ZooKeeper事务ID。
事务ID是ZooKeeper中所有修改总的次序。每个修改都有唯一的zxid，如果zxid1小于zxid2，那么zxid1在zxid2之前发生。
2）ctime - znode被创建的毫秒数(从1970年开始)
3）mzxid - znode最后更新的zxid
4）mtime - znode最后修改的毫秒数(从1970年开始)
5）pZxid-znode最后更新的子节点zxid
6）cversion - znode子节点变化号，znode子节点修改次数
7）dataversion - znode数据变化号
8）aclVersion - znode访问控制列表的变化号
9）ephemeralOwner- 如果是临时节点，这个是znode拥有者的session id。如果不是临时节点则是0。
10）dataLength- znode的数据长度
11）numChildren - znode子节点数量

4. 监听器原理

1、监听原理详解：
1)首先要有一个main（）线程
2)在main线程中创建ZK客户端，这是会创建两个线程，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ZK
4)在ZK的注册监听器列表中将注册的监听事件添加到列表中
5)ZK监听到有数据或路径发生变化时，就会将这个消息发送给listener线程
6)Listener线程内部调用process()方法
2、常见的监听
1)监听节点数据的变化
1.Get path [watch]
2)监听子节点增减的变化
1.Ls path [watch]

image.png

5. 写数据流程

读是局部性的，即client只需要从与它相连的server上读取数据即可；而client有写请求的话，与之相连的server会通知leader，然后leader会把写操作分发给所有server。所以定要比读慢很多。

image.png

四、 Zookeeper实战

1. 分布式安装部署

0）集群规划
在bigdata111、bigdata112和bigdata113三个节点上部署Zookeeper。
1）解压安装
（1）解压zookeeper安装包到/opt/module/目录下
[itstar@bigdata111 software]$ tar -zxvf zookeeper-3.4.10.tar.gz -C /opt/module/
（2）在/opt/module/zookeeper-3.4.10/这个目录下创建zkData
mkdir -p zkData
（3）重命名/opt/module/zookeeper-3.4.10/conf这个目录下的zoo_sample.cfg为zoo.cfg
cp zoo_sample.cfg zoo.cfg

image.png

2）配置zoo.cfg文件
（1）具体配置
dataDir=/opt/module/zookeeper-3.4.10/zkData
增加如下配置
#######################cluster##########################
server.1=bigdata111:2888:3888
server.2=bigdata112:2888:3888
server.3=bigdata113:2888:3888

image.png

添加myid文件，注意一定要在linux里面创建，在notepad++里面很可能乱码
（2）编辑myid文件
vi myid
在文件中添加与server对应的编号：如2

image.png

image.png

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（4）分别启动zookeeper
[root@bigdata111 zookeeper-3.4.10]# bin/zkServer.sh start
[root@bigdata112 zookeeper-3.4.10]# bin/zkServer.sh start
[root@bigdata113 zookeeper-3.4.10]# bin/zkServer.sh start
（5）查看状态

image.png

image.png

image.png

2. 客户端命令行操作

命令基本语法 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(永久节点)
-s 含有序列
-e 临时（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
rmr 递归删除节点

1）启动客户端
[itstar@bigdata112 zookeeper-3.4.10]$ bin/zkCli.sh
2）显示所有操作命令
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] help
3）查看当前znode中所包含的内容
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] ls /
[zookeeper]
4）查看当前节点数据并能看到更新次数等数据
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] ls2 /
[zookeeper]
cZxid = 0x0
ctime = Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970
mZxid = 0x0
mtime = Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970
pZxid = 0x0
cversion = -1
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 0
numChildren = 1
5）创建普通节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] create /app1 "hello app1"
Created /app1
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 4] create /app1/server101 "192.168.1.101"
Created /app1/server101
6）获得节点的值
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 6] get /app1
hello app1
cZxid = 0x20000000a
ctime = Mon Jul 17 16:08:35 CST 2017
mZxid = 0x20000000a
mtime = Mon Jul 17 16:08:35 CST 2017
pZxid = 0x20000000b
cversion = 1
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 10
numChildren = 1
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 8] get /app1/server101
192.168.1.101
cZxid = 0x20000000b
ctime = Mon Jul 17 16:11:04 CST 2017
mZxid = 0x20000000b
mtime = Mon Jul 17 16:11:04 CST 2017
pZxid = 0x20000000b
cversion = 0
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 13
numChildren = 0
7）创建短暂节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 9] create -e /app-emphemeral 8888
（1）在当前客户端是能查看到的
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 10] ls /
[app1, app-emphemeral, zookeeper]
（2）退出当前客户端然后再重启客户端
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 12] quit
[itstar@bigdata113 zookeeper-3.4.10]$ bin/zkCli.sh
（3）再次查看根目录下短暂节点已经删除
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] ls /
[app1, zookeeper]
8）创建带序号的节点
（1）先创建一个普通的根节点app2
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 11] create /app2 "app2"
（2）创建带序号的节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 13] create -s /app2/aa 888
Created /app2/aa0000000000
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 14] create -s /app2/bb 888
Created /app2/bb0000000001
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 15] create -s /app2/cc 888
Created /app2/cc0000000002
如果原节点下有1个节点，则再排序时从1开始，以此类推。
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 16] create -s /app1/aa 888
Created /app1/aa0000000001
9）修改节点数据值
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] set /app1 999
10）节点的值变化监听
（1）在104主机上注册监听/app1节点数据变化
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 26] get /app1 watch
（2）在103主机上修改/app1节点的数据
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 5] set /app1 777
（3）观察104主机收到数据变化的监听
WATCHER::
WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeDataChanged path:/app1
11）节点的子节点变化监听（路径变化）
（1）在104主机上注册监听/app1节点的子节点变化
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] ls /app1 watch
[aa0000000001, server101]
（2）在103主机/app1节点上创建子节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 6] create /app1/bb 666
Created /app1/bb
（3）观察104主机收到子节点变化的监听
WATCHER::
WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeChildrenChanged path:/app1
12）删除节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 4] delete /app1/bb
13）递归删除节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 7] rmr /app2
14）查看节点状态
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 12] stat /app1
cZxid = 0x20000000a
ctime = Mon Jul 17 16:08:35 CST 2017
mZxid = 0x200000018
mtime = Mon Jul 17 16:54:38 CST 2017
pZxid = 0x20000001c
cversion = 4
dataVersion = 2
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 3
numChildren = 2

3. API应用

修改pom.xml，添加zookeeper依赖

<dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
            <artifactId>zookeeper</artifactId>
            <version>3.4.10</version>
        </dependency>
</dependencies>

import org.apache.curator.utils.ZookeeperFactory;
import org.apache.zookeeper.*;
import org.junit.Before;
import org.junit.Test;

import java.io.IOException;
import java.util.zip.ZipOutputStream;

public class ZKTest {

    private ZooKeeper zkClient;
    @Before
    public void init() throws IOException {
        zkClient = new ZooKeeper("192.168.1.111", 2000, new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                System.out.println(watchedEvent.getType()+"---"+watchedEvent.getPath());
                try {
                    zkClient.getChildren("/", true);
                } catch (KeeperException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },false);
    }
    @Test
    public void create() throws KeeperException, InterruptedException {
        String str = zkClient.create("/idea", "Idea Test!".getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
        System.out.println(str);
    }
}