带你搞明白Zookeeper的内部原理

今天来看下zookeeper是干什么的，以及zookeeper的内部原理。

Zookeeper简介

概述

首先zookeeper是一个开源分布式的协调服务项目，主要为集群提供数据一致的协调服务，在整个集群中负责各个节点的数据复制和同步。

如果把集群中每个节点比喻成各种小动物，那么zookeeper就是动物园管理员，这也是zookeeper名字的由来。

zookeeper底层是基于类似文件系统的目录节点树的方式进行数据的存储，同时维护和监控存储数据的状态变化，通过监控这些数据状态变化，从而达到基于数据的集群管理。

下面来看下zookeeper的工作机制：

如上图，从设计模式来看的话，zookeeper是基于观察者模式设计的分布式服务管理框架，它负责存储和管理数据，然后可以接受观察者注册，当数据的状态变化后，zookeeper就通知那些在zookeeper上注册的观察者，从而让观察者能及时的做出相应的反应。

特点

zookeeper的特点有：

一个领导者(leader)，多个跟随者(follower)。
集群中只要有半数以上的节点存活zookeeper集群就能正常服务。
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。
更新的请求是顺序进行的，即来自同一个client的更新请求按发送的顺序依次执行。
数据更新具有原子性，即一次数据更新要么成功要么失败。
具有实时性，在一定时间范围内，client能读到最新的数据。

数据结构

zookeeper的数据模型结构与Unix文件系统的类似，整体上可以看作是一棵树，每个节点称作一个ZNode，每一个ZNode默认能存储1MB的数据，每个ZNode都可以通过路径唯一标识。如下图所示：

注：节点不是目录，可以类比文件，目录相当于箱子可以存东西，节点相当于文件，通过这个节点（文件）可以找到下一个节点（文件）。

应用场景

zookeeper提供的服务包括：命名服务、配置管理、集群管理、服务器节点动态上下线、软负载均衡等。

命名服务：在分布式环境下，经常需要对应用或服务进行统一命名便于识别。比如访问百度的域名www.baidu.com时其实是访问的不同的服务器地址，但这些不同的服务器地址的域名都是相同的。

配置管理：分布式环境下，要求集群中的配置信息是一致的，配置文件修改后希望能快速同步到各个节点上，配置文件修改后的同步就可以交给zookeeper来管理。

集群管理：集群中每个节点都在zookeeper上进行注册，可以实现监控节点的状态。可以把zookeeper想象成班长，把客户端想象成学生，老师可以通过班长知道学生的实时状态。

服务器动态上下线：刚开始已经介绍过了，就是客户端能实时洞察到服务器上下线的变化，就是通过zookeeper实现的。

软负载均衡：在zookeeper中记录每台服务器的访问量，让访问量少的服务器去处理最新的客户端请求，类似于Nginx的负载均衡功能。

Zookeeper安装

zookeeper的安装有两种模式，一种是本地模式另一种是分布式模式。

本地部署

# 必须有JDK
# 上传zookeeper并解压
tar -zxvf zookeeper-3.5.7.tar.gz -C /opt/programfiles/
# 配置环境变量（记得source一下）
# 将zookeeper根目录下conf文件中zoo_sample.cfg修改成zoo.cfg
mv zoo_sample.cfg zoo.cfg
# 在zoo.cfg中修改datadir
vim zoo.cfg
# zoo.cfg修改内容如下
dataDir=/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/zkData
# 在zookeeper根目中创建zkData(因为datadir指向它)
mkdir /opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/zkData
# 启动zookeeper服务 ： zkServer.sh start|stop|status|restart
/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh start
# 启动zookeeper客户端 ：zkCli.sh;使用quit退出客户端。
/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkCli.sh

部分配置参数解读

tickTime =2000：
通信心跳时间，zookeeper服务器与客户端的心跳时间，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 x tickTime)，即超过两个心跳服务器和客户端连接就会断开表示这次会话结束。

initLimit =10：
LF初始通信时限，集群中的follower与leader之间初始连接时能容忍的最多心跳数（tickTime的数量为2000时，最多容忍20S没有心跳），用它来限定集群中的zookeeper服务器连接到leader的时限。

syncLimit =5：
LF同步通信时限，集群中leader与follower之间的最大响应时间，假如响应超过syncLimit x tickTime，leader认为follwer死掉，从服务器列表中删除follwer。

dataDir：
数据文件目录+数据持久化路径，主要用于保存zookeeper中的数据。

clientPort =2181：
客户端连接端口，监听客户端连接的端口。

分布式部署

集群规划：在node1、node2和node3三个节点上部署zookeeper。

# 注：先把zookeeper服务停掉，再将logs和zkData中的数据全部删除
# 在zkData中创建myid文件,并在文件中写一个数值2,该值代表zookeeper节点Id
[Robofly@node1 zkData]$ vim myid
# 添加myid文件，注意一定要在linux里面创建，在notepad++等文本编辑器里面很可能出现乱码
# 注：该值在整个集群中必须是唯一的
# 修改配置文件zoo.cfg
# 配置datadir（已经配置过了）
# 添加如下内容
server.2=node1:2888:3888
server.3=node2:2888:3888
server.4=node3:2888:3888
# 说明：2指的是myid的值，node1指的是myid为2的机器是哪台，2888是zk通信的端口，3888是leader选举端口
# 使用脚本分发文件
[Robofly@node1 zkData]$ sendout myid
# 修改node2和node3的myid值3,4
# 启动各节点的zookeeper服务：zkServer.sh start
[Robofly@node1 zookeeper-3.5.7]$ bin/zkServer.sh start
[Robofly@node2 zookeeper-3.5.7]$ bin/zkServer.sh start
[Robofly@node3 zookeeper-3.5.7]$ bin/zkServer.sh start

分别在每台节点上启动比较麻烦，可以写个脚本一次启动，以下脚本仅供参考：

#!/bin/bash
if [ $# -lt 1 ]
then
    echo "请输入参数，参数可选start、stop、status。"
    exit ;
fi
case $1 in
"start"){
        echo "==================== 启动 node1 zookeeper ===================="
        ssh node1 "/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh start"
        echo "==================== 启动 node2 zookeeper ===================="
        ssh node2 "/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh start"
        echo "==================== 启动 node3 zookeeper ===================="
        ssh node3 "/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh start"
};;
"stop"){
        echo "==================== 停止 node1 zookeeper ===================="
        ssh node1 "/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh stop"
        echo "==================== 停止 node2 zookeeper ===================="
        ssh node2 "/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh stop"
        echo "==================== 停止 node3 zookeeper ===================="
        ssh node3 "/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh stop"
};;
"status"){
        echo "==================== node1 zookeeper 状态 ===================="
        ssh node1 "/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh status"
        echo "==================== node2 zookeeper 状态 ===================="
        ssh node2 "/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh status"
        echo "==================== node3 zookeeper 状态 ===================="
        ssh node3 "/opt/programfiles/zookeeper-3.5.7/bin/zkServer.sh status"
};;
esac

以上就启动了zookeeper集群，此集群三个节点，多于三个节点也可以，但最好为奇数个节点。

zookeeper的命令行操作

命令基本语法	功能描述
help	显示所有操作命令
ls path	使用 ls 命令来查看当前znode的子节点 -w 监听子节点变化 -s 附加次级信息
create	普通创建 -s 含有序列 -e 临时（重启或者超时消失）
get path	获得节点的值 -w 监听节点内容变化 -s 附加次级信息
set	设置节点的具体值
stat	查看节点状态
delete	删除节点
deleteall	递归删除节点

下面举例来操作下zookeeper的命令：

# 启动客户端
bin/zkCli.sh
# 远程连接Zookeeper
bin/zkCli.sh -server node2:2181
# 显示所有操作命令
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] help
# 查看当前znode中所包含的内容
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] ls /
# 查看当前节点详细数据
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] ls2 /
# 创建普通节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] create /robofly "gaofei"
# 获得节点的值
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] get /robofly
# 创建短暂节点，在当前客户端是可以查看到的，退出当前客户端后再重启客户端短暂节点已经删除
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] create -e /robofly/gaofei
# 创建带序号的节点，如果原来没有序号节点，则序号从0开始依次递增，如果原节点下已有2个节点，则再排序时从2开始，以此类推
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] create -s /gao/fei
# 修改节点的值
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] set /robofly "666"
# 监听节点值的变化，在node3上注册监听/robofly节点的数据变化
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] get /robofly watch
# 在node2上修改/robofly节点的数据，观察node3收到数据变化的监听
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] set /robofly "888"
# 在node3上注册监听/robofly节点的子节点变化
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] ls /robofly watch
# 在node2上/robofly节点上创建子节点，观察node3上收到子节点变化的监听
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] create /robofly/gao "fei"
# 删除节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] delete /robofly/gao
# 递归删除节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] rmr /robofly/gaofei
# 查看节点状态
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] stat /robofly

关于zookeeper的api应用，只需要在项目中加入相应的依赖就可以调用，这里不再赘述。

Zookeeper内部原理

节点类型

zookeeper的节点类型常用有四种，分别为：

持久化目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该类型节点依旧存在。
持久化顺序编号目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该类型节点依旧存在，只是zookeeper给该类型节点名称进行了顺序编号。
临时目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该类型节点被删除。
临时顺序编号目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该类型节点被删除，只是zookeeper给该类型节点名称进行了顺序编号。

注：创建带顺序编号的节点时，znode名称后会附加一个顺序号，顺序号是一个单调递增的计数器，由父节点进行维护。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，这样客户端就可以通过顺序号来推断事件的顺序。

Stat结构体

每个znode都维护stat的数据结构，里面存储了该节点的全部状态信息。比如上面用get命令获取节点的值时，会返回节点的全部状态信息。

下面解释下stat结构体中每个参数的含义：

czxid：创建节点时的事务id
ctime：创建节点时间(毫秒，从1970年开始)
mzxid：最后一次修改数据节点时的事务id
mtime：最后一次修改节点的时间(毫秒，从1970年开始)
pzxid：子节点列表最后一次修改事务的id
cversion：子节点版本号/修改次数，每次修改加1
dataversion：数据版本号，数据每次修改加1
aclversion：权限版本号，修改加1
ephemeralowner：临时节点的sessionId，持久节点为0
datalength：节点数据长度
numchildren：拥有子节点数量

监听器原理（面试重点）

如上图，监听器步骤详解为：

首先要有一个main线程。
在main线程中创建zookeeper客户端，这时就会创建两个线程，一个负责网络连接通信的connect，一个负责监听listener。
通过connect线程将注册的监听事件发送给zookeeper。
在zookeeper的注册监听器列表中将注册的监听事件添加到列表中。
zookeeper监听到有数据或路径变化，就会将这个消息发送给listener线程。
listener线程内部会调用process方法。

选举机制（面试重点）

zookeeper的选举机制为半数机制，即集群中半数以上的节点存活则集群就可用，所以zookeeper适合安装奇数台节点。

下面用一个简单的例子来说明选举的过程：

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。

这些服务器是依序启动的，服务器1启动投自己一票发起一次选举，此时服务器1票数一票，不够半数以上（3票），选举无法完成，服务器1状态保持为LOOKING。

服务器2启动投自己一票发起一次选举，然后服务器1和服务器2交换选票信息，此时服务器1发现服务器2的ID比自己目前投票推举的（服务器1）大，更改选票为服务器2。此时服务器1票数0票，服务器2票数2票，没有半数以上结果，选举无法完成，服务器1，2状态保持LOOKING。

服务器3启动，发起一次选举。此时服务器1和2都会更改选票为服务器3。此次投票结果：服务器1为0票，服务器2为0票，服务器3为3票。此时服务器3的票数已经超过半数，服务器3当选Leader。服务器1，2更改状态为FOLLOWING，服务器3更改状态为LEADING。

服务器4启动，发起一次选举。此时服务器1，2，3已经不是LOOKING状态，不会更改选票信息。交换选票信息的结果为：服务器3为3票，服务器4为1票。此时服务器4服从多数，更改选票信息为服务器3，并更改状态为FOLLOWING。

服务器5启动，同4一样更改状态为FOLLOWING。

写数据流程

如上图所示，具体步骤为：

client向zookeeper的server1上写数据，发送一个写数据请求。
如果server1不是leader，那么server1会把接收到的请求进一步转发给leader，因为每个zookeeper的server里面有一个是leader。这个leader会将写数据请求广播给各个server，比如server1和server2，各个server会将写数据请求加入待写队列，并向leader发送成功信息。
当leader收到半数以上server的成功信息，说明该写操作可以执行。leader会向各个server发送提交信息，各个server收到信息后会落实队列里的写数据请求，此时写数据成功。
server1会进一步通知client写数据成功，这时认为整个写操作成功。

最后，以上就是今天的内容，介绍了zookeeper的一些原理，关于zookeeper的Paxos算法没有介绍，Paxos算法是一种基于消息传递且具有高度容错特性的一致性算法，这里先挖个坑，放到之后来详解~

posted @ 2023-03-12 20:17 码农高飞阅读(3) 评论(0) 编辑收藏举报

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带你搞明白Zookeeper的内部原理

Zookeeper简介

概述

特点

数据结构

应用场景

Zookeeper安装

本地部署

部分配置参数解读

分布式部署

zookeeper的命令行操作

Zookeeper内部原理

节点类型

Stat结构体

监听器原理（面试重点）

选举机制（面试重点）

写数据流程

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