ZooKeeper概述

*一、Zookeeper*简介 **

Zookeeper 是一个开源的分布式协调服务，目前由 Apache 进行维护。Zookeeper 可以用于实现分布式 系统中常见的发布/订阅、负载均衡、命令服务、分布式协调/通知、集群管理、Master 选举、分布式锁 和分布式队列等功能。它具有以下特性：

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。

*二、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：

**2.1 ****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。

**2.2 ****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。

**2.3 ****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。

**2.4 ****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。

**三、核心概念 **

**3.1 ****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。

**3.2 ****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。

**3.3 ****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。

**3.4 ****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：

**3.5 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。

**3.6 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。

*四、ZAB*协议 **

*4.1 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，Zookeeper 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：

*4.2 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：

**1. ****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。

**2. ****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。

*五、Zookeeper*的典型应用场景 **

**5.1 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。

**5.2 ****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。

*5.3 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。

**5.4 ****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。

**5.5 ****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。