Zookeeper核心概念

什么是Zookeeper，Zookeeper的由来

Zookeeper最早起源于雅虎研究院的一个研究小组。在当时，研究人员发现，在雅虎内部很多大型系统基本都需要依赖一个类似的系统来进行分布式协调，但是这些系统往往都存在分布式单点问题。所以，雅虎的开发人员就试图开发一个通用的无单点问题的分布式协调框架，以便让开发人员将精力集中在处理业务逻辑上。

关于“ZooKeeper”这个项目的名字，其实也有一段趣闻。在立项初期，考虑到之前内部很多项目都是使用动物的名字来命名的（例如著名的Pig项目),雅虎的工程师希望给这个项目也取一个动物的名字。时任研究院的首席科学家RaghuRamakrishnan开玩笑地说：“在这样下去，我们这儿就变成动物园了！”此话一出，大家纷纷表示就叫动物园管理员吧一一一因为各个以动物命名的分布式组件放在一起，雅虎的整个分布式系统看上去就像一个大型的动物园了，而Zookeeper正好要用来进行分布式环境的协调一一于是，Zookeeper的名字也就由此诞生了。

Zookeeper提供了什么

简单的说，zookeeper=文件系统+通知机制。

1、 文件系统

Zookeeper维护一个类似文件系统的数据结构：

每个子目录项如 NameService 都被称作为 znode，和文件系统一样，我们能够自由的增加、删除znode，在一个znode下增加、删除子znode，唯一的不同在于znode是可以存储数据的。

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、 通知机制

客户端注册监听它关心的目录节点，当目录节点发生变化（数据改变、被删除、子目录节点增加删除）时，zookeeper会通知客户端。

核心概念

集群角色

Zookeeper集群中的机器分为以下三种角色：

Leader ： 为客户端提供读写服务，并维护集群状态，它是由集群选举所产生的；

Follower ： 为客户端提供读写服务，并定期向Leader汇报自己的节点状态。同时也参与写操作“过半写成功”的策略和Leader的选举；

Observer ： 为客户端提供读写服务，并定期向Leader汇报自己的节点状态，但不参与写操作“过半写成功”的策略和Leader的选举，因此Observer可以在不影响写性能的情况下提升集群的读性能。

会话

Zookeeper客户端通过TCP长连接连接到服务集群，会话(Session)从第一次连接开始就已经建立，之后通过心跳检测机制来保持有效的会话状态。通过这个连接，客户端可以发送请求并接收响应，同时也可以接收到Watch事件的通知。

关于会话中另外一个核心的概念是sessionTimeOut(会话超时时间)，当由于网络故障或者客户端主动断开等原因，导致连接断开，此时只要在会话超时时间之内重新建立连接，则之前创建的会话依然有效。

数据节点

Zookeeper数据模型是由一系列基本数据单元 Znode (数据节点)组成的节点树，其中根节点为 / 。每个节点上都会保存自己的数据和节点信息。Zookeeper中节点可以分为两大类：

持久节点 ：节点一旦创建，除非被主动删除，否则一直存在；
临时节点 ：一旦创建该节点的客户端会话失效，则所有该客户端创建的临时节点都会被删除。
临时节点和持久节点都可以添加一个特殊的属性： SEQUENTIAL ，代表该节点是否具有递增属性。如果指定该属性，那么在这个节点创建时，Zookeeper会自动在其节点名称后面追加一个由父节点维护的递增数字。

节点信息

每个ZNode节点在存储数据的同时，都会维护一个叫做 Stat 的数据结构，里面存储了关于该节点的全部状态信息。如下：

Watcher

Zookeeper中一个常用的功能是Watcher(事件监听器)，它允许用户在指定节点上针对感兴趣的事件注册监听，当事件发生时，监听器会被触发，并将事件信息推送到客户端。该机制是Zookeeper实现分布式协调服务的重要特性。

ACL

Zookeeper采用ACL(Access Control Lists)策略来进行权限控制，类似于UNIX文件系统的权限控制。它定义了如下五种权限：

CREATE ：允许创建子节点；

READ ：允许从节点获取数据并列出其子节点；

WRITE ：允许为节点设置数据；

DELETE ：允许删除子节点；

ADMIN ：允许为节点设置权限。

ZooKeeper的工作原理

Zookeeper的核心是原子广播，这个机制保证了各个Server之间的同步。实现这个机制的协议叫做Zab协议。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者在领导者崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，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在工作过程中有三种状态：

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

选主流程

当leader崩溃或者leader失去大多数的follower，这时候zk进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的leader，让所有的Server都恢复到一个正确的状态。Zk的选举算法有两种：一种是基于basic paxos实现的，另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。先介绍basic paxos流程：

  • 1 .选举线程由当前Server发起选举的线程担任，其主要功能是对投票结果进行统计，并选出推荐的Server；

  • 2 .选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；

  • 3 .选举线程收到回复后，验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致)，然后获取对方的id(myid)，并存储到当前询问对象列表中，最后获取对方提议的leader相关信息(id,zxid)，并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中；

  • 4 .收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的那个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server；

  • 5 .线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader，如果此时获胜的Server获得n/2 + 1的Server票数， 设置当前推荐的leader为获胜的Server，将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态，否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。

通过流程分析我们可以得出：要使Leader获得多数Server的支持，则Server总数必须是奇数2n+1，且存活的Server的数目不得少于n+1.

每个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，如果是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息，zk会记录事务日志并定期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复。选主的具体流程图如下所示

fast paxos流程是在选举过程中，某Server首先向所有Server提议自己要成为leader，当其它Server收到提议以后，解决epoch和zxid的冲突，并接受对方的提议，然后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后一定能选举出Leader。其流程图如下所示：

同步流程

选完leader以后，zk就进入状态同步过程。

1 .leader等待server连接；

2 .Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；

3 .Leader根据follower的zxid确定同步点；

4 .完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；

5 .Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。

流程图如下所示：

举个例子：

目前有5台服务器，每台服务器均没有数据，它们的编号分别是1,2,3,4,5,按编号依次启动，它们的选择举过程如下：

服务器1启动，给自己投票，然后发投票信息，由于其它机器还没有启动所以它收不到反馈信息，服务器1的状态一直属于Looking(选举状态)。
服务器2启动，给自己投票，同时与之前启动的服务器1交换结果，由于服务器2的编号大所以服务器2胜出，但此时投票数没有大于半数，所以两个服务器的状态依然是LOOKING。
服务器3启动，给自己投票，同时与之前启动的服务器1,2交换信息，由于服务器3的编号最大所以服务器3胜出，此时投票数正好大于半数，所以服务器3成为领导者，服务器1,2成为小弟。
服务器4启动，给自己投票，同时与之前启动的服务器1,2,3交换信息，尽管服务器4的编号大，但之前服务器3已经胜出，所以服务器4只能成为小弟。
服务器5启动，后面的逻辑同服务器4成为小弟。

工作流程

Leader工作流程

Leader主要有三个功能：

1 .恢复数据；

2 .维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；

3 .Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根据不同的消息类型，进行不同的处理。

PING消息是指Learner的心跳信息；REQUEST消息是Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求；ACK消息是 Follower的对提议的回复，超过半数的Follower通过，则commit该提议；REVALIDATE消息是用来延长SESSION有效时间。

Leader的工作流程简图如下所示，在实际实现中，流程要比下图复杂得多，启动了三个线程来实现功能。

Follower工作流程

Follower主要有四个功能：

1. 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；

2 .接收Leader消息并进行处理；

3 .接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；

4 .返回Client结果。

Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：

1 .PING消息： 心跳消息；

2 .PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；

3 .COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；

4 .UPTODATE消息：表明同步完成；

5 .REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；

6 .SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。

Follower的工作流程简图如下所示，在实际实现中，Follower是通过5个线程来实现功能的。

observer流程和Follower的唯一不同的地方就是observer不会参加leader发起的投票。

ZAB协议

ZAB协议与数据一致性

ZAB协议是Zookeeper专门设计的一种支持崩溃恢复的原子广播协议。通过该协议，Zookeepe基于主从模式的系统架构来保持集群中各个副本之间数据的一致性。具体如下：

Zookeeper使用一个单一的主进程来接收并处理客户端的所有事务请求，并采用原子广播协议将数据状态的变更以事务Proposal的形式广播到所有的副本进程上去。如下图：

具体流程如下：

所有的事务请求必须由唯一的Leader服务来处理，Leader服务将事务请求转换为事务Proposal，并将该Proposal分发给集群中所有的Follower服务。如果有半数的Follower服务进行了正确的反馈，那么Leader就会再次向所有的Follower发出Commit消息，要求将前一个Proposal进行提交。

ZAB协议的内容

ZAB协议包括两种基本的模式，分别是崩溃恢复和消息广播：

  • 崩溃恢复

当整个服务框架在启动过程中，或者当Leader服务器出现异常时，ZAB协议就会进入恢复模式，通过过半选举机制产生新的Leader，之后其他机器将从新的Leader上同步状态，当有过半机器完成状态同步后，就退出恢复模式，进入消息广播模式。

  • 消息广播

ZAB协议的消息广播过程使用的是原子广播协议。在整个消息的广播过程中，Leader服务器会每个事物请求生成对应的Proposal，并为其分配一个全局唯一的递增的事务ID(ZXID)，之后再对其进行广播。具体过程如下：

Leader服务会为每一个Follower服务器分配一个单独的队列，然后将事务Proposal依次放入队列中，并根据FIFO(先进先出)的策略进行消息发送。Follower服务在接收到Proposal后，会将其以事务日志的形式写入本地磁盘中，并在写入成功后反馈给Leader一个Ack响应。当Leader接收到超过半数Follower的Ack响应后，就会广播一个Commit消息给所有的Follower以通知其进行事务提交，之后Leader自身也会完成对事务的提交。而每一个Follower则在接收到Commit消息后，完成事务的提交。

Zookeeper特性：

  • 顺序一致性 ：从一个客户端发起的事务请求，最终都会严格按照其发起顺序被应用到Zookeeper中；

  • 原子性 ：所有事务请求的处理结果在整个集群中所有机器上都是一致的；不存在部分机器应用了该事务，而另一部分没有应用的情况；

  • 单一视图 ：所有客户端看到的服务端数据模型都是一致的；

  • 可靠性 ：一旦服务端成功应用了一个事务，则其引起的改变会一直保留，直到被另外一个事务所更改；

  • 实时性 ：一旦一个事务被成功应用后，Zookeeper可以保证客户端立即可以读取到这个事务变更后的最新状态的数据。

Zookeeper设计目标

Zookeeper致力于为那些高吞吐的大型分布式系统提供一个高性能、高可用、且具有严格顺序访问控制能力的分布式协调服务。它具有以下四个目标：

目标一：简单的数据模型

Zookeeper通过树形结构来存储数据，它由一系列被称为ZNode的数据节点组成，类似于常见的文件系统。不过和常见的文件系统不同，Zookeeper将数据全量存储在内存中，以此来实现高吞吐，减少访问延迟。

目标二：构建集群

可以由一组Zookeeper服务构成Zookeeper集群，集群中每台机器都会单独在内存中维护自身的状态，并且每台机器之间都保持着通讯，只要集群中有半数机器能够正常工作，那么整个集群就可以正常提供服务。

目标三：顺序访问

对于来自客户端的每个更新请求，Zookeeper都会分配一个全局唯一的递增ID，这个ID反映了所有事务请求的先后顺序。

目标四：高性能高可用

ZooKeeper将数据存全量储在内存中以保持高性能，并通过服务集群来实现高可用，由于Zookeeper的所有更新和删除都是基于事务的，所以其在读多写少的应用场景中有着很高的性能表现。

Zookeeper的典型应用场景

数据的发布/订阅

数据的发布/订阅系统，通常也用作配置中心。在分布式系统中，你可能有成千上万个服务节点，如果想要对所有服务的某项配置进行更改，由于数据节点过多，你不可逐台进行修改，而应该在设计时采用统一的配置中心。之后发布者只需要将新的配置发送到配置中心，所有服务节点即可自动下载并进行更新，从而实现配置的集中管理和动态更新。

Zookeeper通过Watcher机制可以实现数据的发布和订阅。分布式系统的所有的服务节点可以对某个ZNode注册监听，之后只需要将新的配置写入该ZNode，所有服务节点都会收到该事件。

命名服务

在分布式系统中，通常需要一个全局唯一的名字，如生成全局唯一的订单号等，Zookeeper可以通过顺序节点的特性来生成全局唯一ID，从而可以对分布式系统提供命名服务。

Master选举

分布式系统一个重要的模式就是主从模式(Master/Salves)，Zookeeper可以用于该模式下的Matser选举。可以让所有服务节点去竞争性地创建同一个ZNode，由于Zookeeper不能有路径相同的ZNode，必然只有一个服务节点能够创建成功，这样该服务节点就可以成为Master节点。

分布式锁

可以通过Zookeeper的临时节点和Watcher机制来实现分布式锁，这里以排它锁为例进行说明：

分布式系统的所有服务节点可以竞争性地去创建同一个临时ZNode，由于Zookeeper不能有路径相同的ZNode，必然只有一个服务节点能够创建成功，此时可以认为该节点获得了锁。其他没有获得锁的服务节点通过在该ZNode上注册监听，从而当锁释放时再去竞争获得锁。锁的释放情况有以下两种：

当正常执行完业务逻辑后，客户端主动将临时ZNode删除，此时锁被释放；
当获得锁的客户端发生宕机时，临时ZNode会被自动删除，此时认为锁已经释放。
当锁被释放后，其他服务节点则再次去竞争性地进行创建，但每次都只有一个服务节点能够获取到锁，这就是排他锁。

集群管理

Zookeeper还能解决大多数分布式系统中的问题：

如可以通过创建临时节点来建立心跳检测机制。如果分布式系统的某个服务节点宕机了，则其持有的会话会超时，此时该临时节点会被删除，相应的监听事件就会被触发。
分布式系统的每个服务节点还可以将自己的节点状态写入临时节点，从而完成状态报告或节点工作进度汇报。
通过数据的订阅和发布功能，Zookeeper还能对分布式系统进行模块的解耦和任务的调度。
通过监听机制，还能对分布式系统的服务节点进行动态上下线，从而实现服务的动态扩容。

为什么最好使用奇数台服务器构成 ZooKeeper 集群？

所谓的zookeeper容错是指，当宕掉几个zookeeper服务器之后，剩下的个数必须大于宕掉的个数的话整个zookeeper才依然可用。假如我们的集群中有n台zookeeper服务器，那么也就是剩下的服务数必须大于n/2。先说一下结论，2n和2n-1的容忍度是一样的，都是n-1，大家可以先自己仔细想一想，这应该是一个很简单的数学问题了。 比如假如我们有3台，那么最大允许宕掉1台zookeeper服务器，如果我们有4台的的时候也同样只允许宕掉1台。 假如我们有5台，那么最大允许宕掉2台zookeeper服务器，如果我们有6台的的时候也同样只允许宕掉2台。

综上，何必增加那一个不必要的zookeeper呢？