为分布式应用提供协调服务的zookeeper

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

zookeeper的工作机制

zookeeper从设计模式角度来理解：是一个基于观察者模式设计的分布式服务管理框架，它负责存储和管理大家都关心的数据，然后接受观察者，一旦这些数据的状态发生变化，zookeeper就通知已经在zookeeper上注册的那些观察者做出反应

所以zookeeper可以看做是文件系统 + 通知机制。文件系统指的是zookeeper集群可以存储数据，尽管存的数据比较少，但还是像文件一样可以存储的。通知机制指的是当节点有变化，会立即通知观察者

当然zookeeper远没有这么简单，只是先有一个大概的印象即可。

2.特点

zookeeper：一个领导者(leader)，多个跟随者(follower)组成的集群
集群中只要有半数以上的节点存活，zookeeper集群就能正常服务
全局数据一致：每个server保存一份相同的数据副本，client无论连接到哪一个server，数据都是一致的。那这样不会浪费空间吗？其实zookeeper里面存的数据量不是很大，那hadoop还是默认以3副本存储的呢。
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。比如一个client发送了3个请求，那么执行顺序按照发送的顺序执行
数据更新具有原子性，一次数据更新要么成功，要么失败。
实时性，在一定时间范围内，client能读到最新数据。换句话说就是同步的速度非常快，原因是保存的数据量很小。

3.数据结构

zookeeper数据模型的结构和unix文件系统很类似，整体上可以看做是一棵树，每个节点称之为一个ZNode。每个ZNode默认能够存储1MB的数据，每个ZNode都可以通过其路径唯一标识。

4.应用场景

在哪些场景下可以使用zookeeper呢？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、软负载均衡等等。下面一个一个介绍。

统一命名服务:

在分布式环境下，经常需要对应用/服务进行统一命名，便于识别。例如：IP不容易记住，但是域名容易记住

当访问域名的时候，会自动转发到某个服务器当中

统一配置管理:

分布式环境下，配置文件同步非常常见
- 一般要求一个集群中，所有节点的配置信息是一致的。比如kafka集群，当然kafka集群是自带zookeeper的。
- 对配置文件修改之后，希望能够快速同步到各个节点上。
配置管理可交由zookeeper实现
- 可将配置信息写入zookeeper上的一个znode
- 各个客户端服务器监听这个znode
- 一旦znode中的数据被修改，zookeeper将通知各个客户端服务器

统一集群管理:

分布式环境中，实时掌握每个节点的状态是必要的。
- 可根据节点实时状态做出一些调整
zookeeper可以实现实时监控节点的变化
- 可将节点信息写入zookeeper上的一个znode。
- 监听这个znode可以获取它的实时状态变化

每一个客户端的状态也可以写到节点上面，只要状态发生变化，就会更新节点上客户端的数据，只要数据发生更新，会立刻同步到其他的节点上，从而通知其他的客户端。

服务器动态上下线:

客户端能实时洞察到服务器上线的情况

还是最开始的这张图，如果服务器宕机了，比如server3，那么客户端就会被zookeeper通知，那么只会就不会再请求server3了。当然这只是宕机了，如果修好了重新上线呢？那么zookeeper也要通知客户端，再次重新注册监听，会继续访问server3，毕竟修好了嘛

软负载均衡:

在zookeeper中记录每台服务器的访问数，让访问数最少的服务器去处理最新的客户端请求。

当新的客户端来访问的时候，会自动分发到访问次数比较少的服务器上。也就是类似Nginx的负载均衡的效果，让每一台服务器的压力都不会那么大。

5.下载

zookeeper是Apache的一个顶级项目，所以域名是zookeeper.apache.org，所有Apache的顶级项目的官网都是以项目名.apache.org来命名的，比如hadoop就是hadoop.apache.org，flume就是flume.apache.org

6.本地安装

本地安装，一般都是测试使用，因为实际生产中肯定使用zookeeper集群，目前我们先看看本地怎么安装。

zookeeper是java语言写的，所以需要安装jdk，一般jdk采用1.8版本的即可。我这里已经安装好了

安装zookeeper和安装jdk一样简单，直接解压，然后配置环境变量，source一下即可。我所有的包都安装在了/opt目录下面，当然我现在使用的zookeeper是3.4.14版本的

下面配置一下环境变量

linux上能配置环境变量的地方有很多，我这里选的是~/.bashrc，配置完了之后source一下

修改配置:

我们安装完毕之后不能直接使用，需要修改一下配置。首先将/opt/zookeeper/zookeeper-3.4.14/conf目录下的zoo_sample.cfg修改为zoo.cfg，直接mv zoo_sample.cfg zoo.cfg即可

然后打开zoo.cfg文件，修改为dataDir=/opt/zookeeper/zookeeper-3.4.14/zkData，主要是为了持久化数据，类似于hadoop一样，不然重启之后数据就没了。由于这个目录是我们自己的，是不存在的，所以还要在/opt/zookeeper/zookeeper-3.4.14下mkdir zkData，当然hadoop的话会自动创建，至于zookeeper需要我们手动创建，当然也可以不叫zkData，叫什么都无所谓。

至于配置文件里的其他参数，我们之后会解读，下面启动服务器。

可以看到bin目录下有很多脚本，cmd是在Windows下面用的，我们不用管。我们看到有一个zkServer.sh，这个是启动zookeeper服务的。

启动成功，由于我们已经设置了环境变量，那么在任何地方都可以启动。

调用jps查看进程

查看状态

此时的模式是standalone模式，表示单机。spark也有standalone模式，但是基本上很少用，使用的都是spark on yarn

既然有了服务端，那么是不是也要有客户端呢，对的，类似于redis，下面启动客户端。直接zkCli.sh即可，不需要start，出现如下表示启动成功

如何退出服务端呢？可以使用zkServer stop

7.配置文件参数解读

这个配置文件就是我们之前的zoo.cfg，里面有几个重要的参数。

tickTime=2000：通信心跳数，zookeeper服务端与客户端的心跳时间，单位为毫秒。
initLimit=10：领导者和追随者初始的通信时限，也就是第一次建立连接时能容忍的最大时限。当然这里的10不是10s，而是10个tickTime
syncLimit=5：集群中领导者和追随者之间响应的最大时限(这里是连接建立之后)，单位同样是tickTime。如果超过syncLimit * tickTime，那么领导者会认为该追随者已经死掉，从而将该follower从服务器列表中删除掉。
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，我们刚刚已经修改了。
clientPort=2181：客户端连接的端口

8.选举机制(面试重点)

我们之前说了，zookeeper服务端是有一个领导者和多个追随者，但是这个领导者是怎么选出来的呢？我们貌似没有在配置文件中看到有关领导者和追随者的参数啊。

在此之前先来看看zookeeper内部的一些机制

半数机制：集群中半数以上机器存活，集群可用，所以zookeeper适合安装在奇数台服务器上面。
zookeeper虽然在配置文件中没有指定leader和follower。但是，zookeeper在工作时，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。

那么领导者到底是怎么选出来的，很简单，服务器按照id(这里的id后面再说)从小到大的顺序数数，当超过半数的时候，就被选为领导者。比如有五台服务器，server1、2、3、4、5，那么领导者就是server3

9.节点类型

zookeeper集群有很多个节点，那么节点的类型是什么样子的呢？首先，节点类型有两种

持久(persistent)：客户端和服务端断开连接之后，创建的节点不删除，也就意味着节点上的数据会保留
短暂(ephemeral)：客户端和服务端断开连接之后，创建的节点会自己删除，数据不会被保留。

（1）持久化目录节点，客户端与zookeeper断开连接之后，该节点依旧存在

（2）持久化顺序编号目录节点，客户端与zookeeper断开连接之后，该节点依旧存在，只是zookeeper会给该节点名称进行顺序编号

（3）临时目录节点，客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除

（4）客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是zookeeper会给该节点名称进行顺序编号

说明：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。

在分布式系统中，顺序号可以被用于为所有事件进行全局排序，这样客户端可以通过顺序号推断事件的顺序。

10.分布式集群搭建

我们使用zookeeper集群的胡，一台服务器肯定是不够的。那么需要多台机器，但是我阿里云上面只有一台服务器，所以只介绍方法，就不演示了。

假设我们有三台服务器，主机名分别是mashiro、satori、koishi。那么在zoo.cfg配置文件中增加如下内容，注意：三个主机的配置文件都是如下。

server.1=mashiro:2888:3888
server.2=satori:2888:3888
server.3=koishi:2888:3888

解释一下，从等号右边开始，我们看到两个:把等号右边分成了三部分，第一部分就不用说了，主机名，用于定位你是哪台主机的。2888，是leader和follower交换信息的端口，副本要进行同步啊，3888是交换选举信息的端口。至于等号左边的部分server.是固定的，关键后面的数字是啥，数字表示的是这是第几个服务器，所以我们还要进行配置，不然我们凭什么告诉zookeeper，mashiro就是第一个、satori是第二个、koishi是第三个服务器呢？配置的方法也很简单，还记得我们之前指定的dataDir吗？你指定了哪个目录就切换到哪个目录，然后在该目录下新建一个myid文件，没有后缀名。然后各自写上数字即可，mashiro主机，就在自己的myid文件里面写个1、satori主机在自己的myid文件里面写个2、koishi主机在自己的myid文件里面写个3，这样就可以了。

然后启动集群，三台机器，每台机器都要启动。当我们在mashiro主机上面，zkServer.sh start的时候，是可以启动成功的，但是zkServer.sh status的时候，是会报错的。因为三台机器我们只启动了一台，没有到达半数以上。然后再启动satori上的zookeeper，此时到达半数以上，zookeeper集群正常启动。然后按照id从小到大，因此satori主机上的zookeeper是leader，输入zkServer.sh status的时候，会有一个mode，之前单机的话是standalone，集群的时候则是leader，同理mashiro主机上的mode则是follower。那么当我们再启动koishi的时候，mode肯定是follower了，因为leader已经被选出来了。

关于领导者和追随者怎么选的，这里再解释一下。我们刚才说了在myid文件里面定义了id，就是一个数字。假设我们有9台服务器，说明只要启动5台就能够选出leader了。我们按照顺序启动了id分别为5、7、1、8、2的机器，显然会选出leader，那么leader是谁呢？对，显然是9，因为是按照id从小到大。更具体一点的说，每一个zookeeper集群启动的时候都会把票投给自己，希望自己成为leader，比如我们启动id为5的zookeeper，但是呢票数不够，于是又启动了id=7的zookeeper，但是也不够，此时id=5的zookeeper就会把票给id=7的zookeeper，因为7比5大。当继续启动id=1的zookeeper，由于也不够，所以id=1的zookeeper就会把自己的票也给id等于7的zookeeper。当启动了id=8的zookeeper，那么由于也只有一票，因此id=7的zookeeper会将自己的3票都给id=8的zookeeper，最后id=2的zookeeper也是同理。那么此时超过半数，leader就选出来了，即便后面出现id=9的，也没用了，因为leader已经选出来了。所以我们之前说，就相当于从小到大数id，超过一半就选出leader。

11.shell命令操作

和hadoop有shell操作一样，zookeeper也有shell命令行操作，也就是zkCli.sh，下面我们就一个一个介绍

显示所有操作命令：help
查看当前znode中所包含的内容：ls
查看当前节点详细的数据：ls2

至于这些输出分别代表什么，我们后面介绍
创建节点：create

create /overwatch，这样可以创建一个节点吗？理论上是可以的，但实际上不行，因为创建节点必须要有数据，因此要在创建节点的时候就指定数据，否则不让你创建。比如：create /overwatch genji
创建多级节点：create
获取节点内容：get

在/china这个节点下存放了beijing，在/china/henan这个节点下存放了zhengzhou
创建短暂的节点：create -e

如果我此时断开客户端，重新连接的话。

会发现shanghai这个节点没了，因为我们创建的是临时节点。
创建带有序号的节点：create -s
修改节点的值：set

每一个节点存一个值，当我们create /china/anhui hefei的时候，get /china/anhui的时候也是hefei，如果我们想修改的话，能不能直接create /china/anhui fengyang呢？显然是不行的，因为节点重复了，需要使用set /china/anhui fengyang
监听某个节点的变化：get 节点 watch

这个需要使用集群，假设我现在在A机器上，我在B机器上面也启动了zookeeper客户端，此时B上面的数据和A是一样的，因为数据是同步的。那么此时我在B机器上输入get /china/anhui watch就表示监听/china/anhui这个节点，然后我在A机器上对/china/anhui这个节点进行set，那么B机器上就会收到提示，提示我们监听的节点被修改了。注意：监听是一次性的，如果再次set的话，那么B机器就不会再提示了，除非再次watch。
监听某个节点的子节点的变化：ls 节点 watch

此时/china里面有多个子节点，ls /china watch就表示监视这个节点内字节的变化，如果里面某个字节点被删除了、或者创建了新的子节点，那么就会收到提示。这个同样是一次性的
删除节点：delete
递归删除节点：rmr

我们先看看使用delete删除 /china

提示我们节点不为空

使用rmr删除，删除成功，节点已经没了
查看节点状态：stat

12.stat结构体

我们已经看到很多便类似如下的信息了，实际上在开发过程中这个意义不大，了解一下就可以了。

cZxid = 0xa
ctime = Wed Oct 02 21:44:38 CST 2019
mZxid = 0xa
mtime = Wed Oct 02 21:44:38 CST 2019
pZxid = 0xa
cversion = 0
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 5
numChildren = 0

cZxid：创建节点的事务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。
ctime：znode被创建的时间(时间戳形式，单位为毫秒)
mZxid：znode最后更新的事务zxid
mtime：znode最后修改的时间(时间戳形式，单位为毫秒)
pZxid：znode最后更新的子节点zxid
cversion：znode子节点变化号，znode子节点修改次数
dataVersion：znode数据变化号
aclVersion：znode访问控制列表的变化号
ephemeralOwner：如果是临时节点，这个是znode所拥有的session id。如果不是临时节点，则为0
dataLength：znode的数据长度
numChildren：znode的子节点数量

13.监听原理(面试重点)

还记得我们之前说的监听吗？有两种：一个是监听节点数据的变化get 节点 watch，另一个是ls 节点 watch，那么它们的原理是什么呢？

首先要有一个main()线程
在main线程中创建zookeeper客户端，然后会新创建两个线程，一个负责网络连接通信(connect)，一个负责监听(listener)
通过connect将注册的监听事件发送给zookeeper服务端
在zookeeper的注册监听器列表中将注册的监听事件添加进去
zookeeper监听到有数据或者路径变化，就会将这个消息发送给listener线程
然后在执行listener线程里面执行我们自己定义的逻辑，比如process函数

14.写数据流程

15.python连接zookeeper

为什么是python连接zookeeper，因为笔者是python系的，不是java系的，像zookeeper、hadoop、spark都有python的接口，下面我们就来介绍如何使用python连接zookeeper

使用python连接zookeeper的话，需要安装第三方模块，模块名叫kazoo，直接pip install kazoo即可，其实连接zookeeper还有一个模块，也叫zookeeper。但是个人更推荐kazoo，因为它是纯Python实现的，使用起来比较方便。

# 导入KazooClient
from kazoo.client import KazooClient

# 输入ip:port，创建zookeeper客户端
zk = KazooClient("47.94.174.89:2181")

# 连接zookeeper，注意这一步不是启动服务器上的zookeeper
# 服务器上的zookeeper必须已经启动才可以，这一步是与zookeeper建立连接
zk.start()
"""
start函数里面接收一个timeout，默认是15秒
如果服务没有启动(目标计算机积极拒绝)，那么会不断地尝试连接，直到超时
"""

并且连接一旦建立，无论是连接丢失、还是会话过期，KazooClient都会不断尝试连接

我们还可以使用stop显式地中断连接

from kazoo.client import KazooClient

zk = KazooClient("47.94.174.89:2181")

zk.start()

# todo:
...
...
...
...
...
...
# 程序结束关闭连接
zk.stop()

kazoo状态监听。为什么会有状态监听，是因为客户端与服务端的会话状态一旦发生连接中断、连接恢复、或者会话过期等情景时，我们能及时作出相应的处理。那么首先会话都有哪些状态呢？

LOST
CONNECTED
SUSPENDED

我们的KazooClient就相当于是zkCli，当与服务端建立连接时，状态为LOST，连接建立成功，状态为CONNECTED。如果在整个会话的生命周期里，伴随着网络闪断、服务端异常或者其他什么原因导致客户端和服务端连接断开的情况，那么KazooClient的状态就会切换到SUSPENDED。与此同时，KazooClient会不断尝试与服务端建立连接，直至超时，如果连接建立成功了，那么状态会再次切换到CONNECTED

from kazoo.client import KazooClient

zk = KazooClient("xx.xx.xx.xx:2181")

zk.start()


def connection_listener(state):
    if state == "LOST":
        # todo:
        ...
    elif state == "SUSPENDED":
        # todo:
        ...
    else:
        ...
    

zk.add_listener(connection_listener)
zk.stop()

下面就是重头戏，也不知道谁的头这么重哈，就是节点的增删改查

查看当前节点有哪些子节点

# 返回一个列表
print(zk.get_children("/"))  # ['zookeeper', 'overwatch']

获取某个节点的acl(access control list)

# 返回一个元组
print(zk.get_acls("/"))
"""
(
[ACL(perms=31, acl_list=['ALL'], id=Id(scheme='world', id='anyone'))], 
ZnodeStat(czxid=0, mzxid=0, ctime=0, mtime=0, version=0, cversion=6, aversion=0, ephemeralOwner=0, dataLength=0, numChildren=2, pzxid=33)
)
"""

查询某个节点是否存在

# 不存在返回None，存在返回节点的信息，相当于ls2
print(zk.exists("/china"))  # None
print(zk.exists("/overwatch"))
# ZnodeStat(czxid=10, mzxid=10, ctime=1570023878072, mtime=1570023878072, version=0, cversion=0, aversion=0, ephemeralOwner=0, dataLength=5, numChildren=0, pzxid=10)

创建多级节点

print(zk.get_children("/"))  # ['zookeeper', 'overwatch']

# 创建多级节点/china/henan/zhengzhou
zk.ensure_path("/china/henan/zhengzhou")
print(zk.get_children("/"))  # ['zookeeper', 'overwatch', 'china']
print(zk.get_children("/china"))  # ['henan']
print(zk.get_children("/china/henan"))  # ['zhengzhou']

这····，感觉这比zkCli客户端强多了。注意：ensure_path只能创建节点，不能添加数据，如果想添加数据，只能后续使用set修改。

修改与获取节点的值

# 使用set修改，get获取，这个zookeeper客户端的api是一致的
# 但是有有一点需要注意，set的值，必须是bytes类型
zk.set("/china", b"CHINA")
zk.set("/china/henan", b"HENAN")
zk.set("/china/henan/zhengzhou", b"ZHENGZHOU")


print(zk.get("/china"))
print(zk.get("/china/henan"))
print(zk.get("/china/henan/zhengzhou"))
"""
(b'CHINA', ZnodeStat(czxid=57, mzxid=64, ctime=1570087652802, mtime=1570088077404, version=1, cversion=1, aversion=0, ephemeralOwner=0, dataLength=5, numChildren=1, pzxid=58))
(b'HENAN', ZnodeStat(czxid=58, mzxid=65, ctime=1570087652810, mtime=1570088077413, version=1, cversion=1, aversion=0, ephemeralOwner=0, dataLength=5, numChildren=1, pzxid=59))
(b'ZHENGZHOU', ZnodeStat(czxid=59, mzxid=66, ctime=1570087652818, mtime=1570088077422, version=1, cversion=0, aversion=0, ephemeralOwner=0, dataLength=9, numChildren=0, pzxid=59))
"""

创建节点

# ensure_path可以创建多级，并且不要求上一级必须存在，会递归创建
# 但是create创建多级，必须要求前面的级必须存在，实际上还是只能创建一级
# ensure_path不可以指定数据，只能后续set修改，但是create必须在创建节点的可以指定数据，也可以不指定
zk.create("/china/shanghai")
print(zk.get_children("/china"))  # ['shanghai', 'henan']

zk.create("/china/beijing")
print(zk.get("/china/beijing"))  # (b'', ZnodeStat(czxid=82, mzxid=82, ctime=1570088550845, mtime=1570088550845, version=0, cversion=0, aversion=0, ephemeralOwner=0, dataLength=0, numChildren=0, pzxid=82))
# 可以看到，不指定的话默认是''

# 创建的时候，指定数据，同样是bytes类型
zk.create("/china/anhui", b"ANHUI")
print(zk.get("/china/anhui"))  # (b'ANHUI', ZnodeStat(czxid=83, mzxid=83, ctime=1570088550858, mtime=1570088550858, version=0, cversion=0, aversion=0, ephemeralOwner=0, dataLength=5, numChildren=0, pzxid=83))

删除节点

print(zk.get_children("/china"))  # ['shanghai', 'beijing', 'anhui', 'henan']
zk.delete("/china/anhui")
print(zk.get_children("/china"))  # ['shanghai', 'beijing', 'henan']

# 能不能递归删除呢？
try:
    zk.delete("/china")
except Exception:
    import sys
    exec_type, _, _ = sys.exc_info()
    # 提示我们节点不为空
    print(exec_type)  # <class 'kazoo.exceptions.NotEmptyError'>

# 如果想递归删除，当然没有rmr，但是可以再delete里面加上一个参数，recursive=True，默认是False，表示是否允许递归删除
print(zk.get_children("/"))  # ['zookeeper', 'overwatch', 'china']
zk.delete("/china", recursive=True)
print(zk.get_children("/"))  # ['zookeeper', 'overwatch']

监听器

def watch(event):
    print("观察者发现变化了")


zk.get_children("/overwatch", watch=watch)

还可以通过装饰器的方法实现

ChildrenWatch：当该节点的子节点个数发生变化时触发

DataWatch：当该节点数据发生变化时触发

@zk.ChildrenWatch("/overwatch")
def watch_children(children):
    print(f"----{children}----")


@zk.DataWatch("/overwatch")
def watch_data(data, state):
    print(f"node is {data}")

事务

自v3.4以后，zookeeper支持一次发送多个命令，这些命令作为一个原子进行提交，要么全部执行成功，要么全部失败

transaction = zk.transaction()
transaction.create("/satori")

# 因为没有提交，所以获取不到
print(zk.get_children("/"))  # ['zookeeper', 'overwatch']

transaction.delete("/overwatch")

# 调用commit，表示将之前的操作提交上去
transaction.commit()

# 可以看到，不仅/satori节点有了，而且/overwatch节点也没了
print(zk.get_children("/"))  # ['satori', 'zookeeper']

16.企业面试题

question：请简述zookeeper的选举机制

详情见8.选举机制(面试重点)，就是半数机制，只要启动的服务端超过半数，就会选择myid中数值最大的成为leader

question：zookeeper的监听原理是什么？

详情见13.监听原理(面试重点)，有一个main线程，创建客户端，然后再创建两个线程，一个是connect一个listener。listener监听，connect负责将监听的事件发送给服务端，服务端将事件注册到事件列表里面，如果有变化，那么服务端就会告知一直在监听的listener。然后执行我们自己定义的逻辑。

question：zookeeper的部署方式有哪几种？集群中的角色有哪些？集群最少需要几台机器？

部署方式有单机模式和集群模式
集群中的角色有领导者(leader)和追随者(follower)
因为投票是半数机制，所以最少需要三台机器

question：zookeeper的常用命令有哪些？

ls create get create set delete等等

posted @ 2019-08-02 16:04 古明地盆阅读(732) 评论(0) 编辑收藏举报

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