zookeeper重启，线上微服务全部掉线，怎么回事？
注册中心zookeeper被重启，线上微服务全部掉线，怎么回事？！
最近因为一次错误的运维操作，导致线上注册中心zk被重启。而zk重启后发现所有线上微服务开始不断掉线，造成了持续30分钟的P0故障。
整体排查过程深入学习了 zookeeper的session机制，以及在这种异常情况下，RPC框架应该如何处理。
好了，一起来回顾下这次线上故障吧，最佳实践总结放在最后，千万不要错过。
1、现象描述
某天晚上19:43分左右，误操作将线上zk集群下线（stop），总共7台节点，下线了6台，导致zk停止工作。
在发现节点下掉后，于19:51分左右将所有zk节点进行重启（start），期间服务正常运行，没有收到批量业务调用的报错和客诉。
直到19:56分，开始收到大面积调用失败的警报和客诉，我们尝试着依赖自研RPC框架与zk间重连后的「自动恢复」机制，希望能够在短时间内批量恢复。
但是很不幸，过了接近8分钟，没有任何大面积恢复的迹象。结合zk znode节点数上升非常缓慢的情况，于是我们采取了应急措施，将所有微服务的pod原地重启，执行重启后效果显著，大面积服务在短时间内逐步恢复。
2、初步分析
我们自研的RPC框架采用典型的 注册中心+provider+consumer 的模式，通过zk临时节点的方式做服务的注册发现，如下图所示。
结合故障期间发生的现象，我们初步分析：
- 阶段1：zk集群停服（stop）期间，业务能够正常调用。原因是consumer无法访问zk，暂时失去服务发现能力，所以在这个期间只要服务没有重启，就不会刷新本地的服务发现provider缓存列表provider-list，调用无异常。
- 阶段2：zk集群启动完毕后，服务间立刻出现调用问题。原因是consumer连接上zk后，立刻进行服务发现操作，然而provider服务这时还没重新注册到zk，读取到的是空地址列表，造成了业务的批量报错。
- 阶段3：zk恢复后续一段时间，provider服务仍然没「自动重连」到zk，导致consumer持续报错。在所有服务全量重启后，provider服务重新注册成功，consumer恢复。
这里存在一个问题：
- 为什么zk集群恢复后，provider客户端「自动重连」注册中心的机制没有生效？导致consumer被推送了空地址列表后，没有再收到重新的provider注册节点信息了。
3、深入排查
3.1 问题复现
根据大量测试和真实表现，我们找到了稳定复现本次问题的方法：
zk session过期包括 「服务端过期」 和 「客户端过期」，在「客户端过期」情况下恢复zk集群，会导致「临时节点」丢失，且无法自动恢复的情况。
3.2 分析
1）在集群重启恢复后，RPC框架客户端立刻就与zk集群取得重连，将保存在本地内存待注册的providers节点 + 待订阅的consumers节点 进行重建。
2）但是zk集群此时根据snapshot恢复的「临时节点」（包括provider和consumer) 都还在，因此重建操作返回NodeExist异常，重建失败了。（问题1：为什么没有重试？）
3）在集群重启恢复40s后，将过期Session相关的 临时节点全都移除了。（问题2：为什么要移除？）
4）consumer监听到 节点移除 的空列表，清空了本地provider列表。故障发生了。
基于这个分析，我们需要进一步围绕2个问题进行源码的定位：
- 问题1：zk集群恢复后，前40s，为什么RPC框架的客户端在创建临时节点失败后没有重试？
- 问题2：zk集群恢复后，40s后，为什么zk会删除之前所有已经恢复的临时节点？
3.3 问题1：为什么临时节点创建失败没有重试？
通过源码分析，我们看到，RPC框架客户端与服务端取得重连后，会将内存里老的临时节点进行重新创建。
这段逻辑看来没有什么问题，doRegister成功之后才会将该节点从失败列表中移除，否则将继续定时去重试创建。
继续往下走，关键点来了：
这里我们可以看到，在创建临时节点时，吞掉了服务端返回的NodeExistsException，使整个外层的doRegister和doSubscribe（订阅）方法在这种情况下都被认为是重新创建成功，所以只创建了一次。
正如上面分析的，其实正常情况下，这里对NodeExistsException不做处理是没有问题的，就是节点已经存在不用再添加了，也不需要再重试了，但是伴随服务端后续踢出老sessionId同时删除了相关临时节点，就引起了故障。
3.4 问题2：zk为什么删除已经恢复的临时节点
3.4.1 从zk的session机制说起
众所周知，zk session管理在客户端、服务端都有实现，并且两者通过心跳进行交互。
在发送心跳包时，客户端会携带自己的sessionId，服务端收到请求，检查sessionId确认存活后再发送返回结果给客户端。
如果客户端发送了一个服务端并不知道的sessionId，那么服务端会生成一个新的sessionId颁布给客户端，客户端收到后本地进行sessionid的刷新。
3.4.2 zk客户端（curator）session过期机制
当客户端（curator）本地sessionTimeout超时时，会进行本地zk对象的重建（reset），我们从源码可以看到默认将本地的sessionId重置为0了。
zk服务端后续收到这个为“0”sessionId，认为是一个未知的session需要创建，接着就为客户端创建了一个新的sessionId。
3.4.3 服务端（zookeeper）session过期处理机制
服务端(zookeeper) sessionTimeout的管理，是在zk会话管理器中看到一个线程任务，不断判断管理的session是否有超时（获取下一个过期时间点nextExpirationTime已经超时的会话），并进行会话的清理。
我们继续往下走，关键点来了，在清理session的过程中，除了将sessionId从本地expiryMap中清除外，还进行了临时节点的清理：
原来zkserver端是将sessionId和它所创建的临时节点进行了绑定。伴随着服务端sessionId的过期，绑定的所有临时节点也会随之删除。
因此，zk集群恢复后40s，zk服务端session超时，删除了过期session的所有相关临时节点。
4、 故障根本原因总结
1）zk集群恢复的第一时间，对zk的snapshot文件进行了读取并初始化zk数据，取到了老session，进行了create session的操作，完成了一次老session的续约（重置40s）。
集群恢复关键入口-重新加载snapshot：
反序列化最近的snapshot文件，并读取session恢复到本地内存：
进行session恢复（创建）操作，默认session timeout 40s：
2）而此时客户端session早已经过期，带着空sessionid 0x0进行重连，获得新sessionId。但是此时RPC框架在临时节点注册失败后吞掉了服务端返回的NodeExistsException，被认为是重新创建成功，所以只创建了一次。
3）zk集群恢复后经过40s最终因为服务端session过期，将过期sessionId和及其绑定的临时节点进行了清除。
4）consumer监听到 节点移除 的空列表，清空了本地provider列表。故障发生了。
5、解决方案
经过上面的源码分析和解答，解决方案有两种：
方案1：客户端（curator）设置session过期时间更长或者不过期，那么集群恢复后的前40s，客户端带着原本的sessionid跟服务端做一次请求，就自动续约了，不再过期。
方案2：客户端session过期后，带着空sessionid 0x0进行重连的时候，对NodeExsitException做处理，进行 删除-重添加 操作，保证重连成功。
于是我们调研了一下业界使用zk的开源微服务框架是否支持自愈，以及如何实现的：
dubbo采用了方案2。
注释也写的非常清楚：
“ZNode路径已经存在，因为我们只会在会话过期时尝试重新创建节点，所以这种重复可能是由zk服务器的删除延迟引起的，这意味着旧的过期会话可能仍然保存着这个ZNode，而服务器只是没有时间进行删除。在这种情况下，我们可以尝试删除并再次创建。”
看来dubbo确实后续也考虑到这个边界场景，防止踩坑。
所以最后我们的解决方案也是借鉴dubbo fix的逻辑，进行节点的替换：先deletePath再createPath，这么做的原因是将zk服务端内存维护的过期sessionId替换新的sessionId，避免后续zk清理老sessionId时将所有绑定的节点删除。
6、最佳实践
回顾整个故障，我们其实还忽略了一点最佳实践。
除了优化对异常的捕获处理外，RPC框架对注册中心的空地址推送也应该做特殊判断，用业界的专业名词来说，就是「推空保护」。
所谓「推空保护」，就是在服务发现监听获取空节点列表时，维持本地服务发现列表缓存，而不是清空处理。
这样可以完全避免类似问题。
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