Zookeeper入门看这篇就够了

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简介

Zookeeper 是一个分布式应用程序的分布式开源协调服务。是Apache Hadoop 的一个子项目，主要用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题，例如：统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理等。

Zookeeper 工作原理

ZooKeeper 核心是原子广播，该机制保证了各个Server之间的同步，实现这个机制的协议叫做 Zab协议 ，Zab协议有两个模式，他们分别是 “恢复模式 & 广播模式”。

恢复模式

Zab协议会让ZK集群进入崩溃恢复模式的情况如下：

(1)当服务框架在启动过程中(2)当Leader服务器出现网络中断，崩溃退出与重启等异常情况。(3)当集群中已经不存在过半的服务器与Leader服务器保持正常通信。

在所有的follower服务器中选举一台为Leader，当leader被选举出来，集群中有多数服务与新的Leader完成状态同步之后就会退出恢复模式，用来保证至少有一半的follower能和Leader保持数据一致，当多数的follower集群与leader数据保持一致的时候，就会进入消息广播模式。

状态同步保证了 Leader 和 Server具有相同的系统状态，所谓的状态同步其实就是数据的同步。

一旦leader 已经和多数的follower进行状态同步之后，它就开始广播消息，并且进入广播模式，这时候当一个server加入Zookeeper 服务中，它会在恢复模式下启动，发现leader，并和leader进行状态同步，同步结束后，它也参与消息广播，Zookeeper服务一直维持在 Broadcast状态，直到leader崩溃了或者leader失去了大部分的followers支持。

广播模式

消息广播模式，Zab协议消息广播过程使用的是原子广播协议，类似于一个二阶段提交，但是又有点不一样，并不是所有的follower节点都需要返回ack才进行一致性事务完成，只需要多数以上即可。

针对每个客户端的事务请求，leader服务器会为其生成对应的事务Proposal，并将其发送给集群中其余所有的机器，然后再分别收集各自的选票，最后进行事务提交。

• leader 接收到消息请求后，将消息赋予一个全局唯一的 64 位自增的 Id，我们通常称之为zxid，通过 zxid 的大小比较即可实现有序的特性。
• leader 通过 队列 保证发送的顺序性，将带有zxid的消息作为一个提案(proposal)分发给所有follower
• 当follower 接收到proposal，先将proposal写到本地事务日志，写事务成功后再向Leader 回一个ACK确认
• 当leader 接收到多数的ack确认后，leader 会向所有follower 发送 commit 命令，同意会在本地执行该消息。
• 当follower 收到消息 commit 命令后，就会执行该消息。

消息广播模式流程示意图如下：

首先客户端会轮询Zookeeper集群中的各个节点，当轮询到一台是follower，如果是读的请求，follower会返回请求结果，如果是增删改操作，follower 会向leader生成事务请求，针对客户端的事务请求，针对客户端的事务请求，leader会为这个生成对应的事务Proposal，然后发送集群中所有follower服务器，然后分别在收集各自的选票，最后进行事务提交。

Zab协议的二阶段提交，在提交过程中移除了中断提交过程的操作，对于Zookeeper集群来说，超过半数反馈Ack确认就代表事务成功，这种方式无法完成所有节点事务一致性问题，所以Zab协议采用恢复模式来解决数据不一致的问题。

消息广播协议是基于具有FIFO特性的TCP协议进行通讯，因此可以保证消息广播过程中的接收和发送的顺序性。

事务ID

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，所有的操作(proposal)都会在被提出时加上zxid，zxid是一个64位的数字，他高32位是epoch用来标识leader关系是否发生变化，每当有新的leader 被选举出来，都会有一个新的epoch，标识当前属于哪个leader的领导。

对于Zookeeper 来说，每次的变化都会产生一个唯一的事务id，zxid(ZooKeeper Transaction Id)通过zxid ，可以确定更新操作的先后顺序，如果说 zxid1 小于 zxid2，说明 zxid1比zxid先发生。

Zookeeper 模型

Zookeeper 是一个目录树结构，名称是由斜杠 (/) 分隔的一系列路径元素。ZooKeeper 命名空间中的每个节点都由路径标识。

ZooKeeper 层级树状结构

根节点 / 包含两个节点(/modele1 & /module2)，其中节点 /module1 包含三个子节点(/module1/app1 & /module1/app2 & /module1/app3)，在Zookeeper 中，节点以绝对路径表示，不存在相对路径，出了根节点以外，其他节点不能以 / 结尾。

特性

资源共享： 例如存储空间，计算能力，数据，和服务等等

扩展性： 从软件和硬件上增加系统的规模

并发性： 多个用户同时访问

性能： 确保当负载增加的时候，系统想要时间不会有影响

容错性： 尽管一些组件暂时不可用了，整个系统仍然是可用的

API抽象： 系统的独立组件对用户隐藏，仅仅暴露服务

Zookeeper的角色

领导者(leader) ：负责进行投票的发起和决议，更新系统状态

学习者(learner) ：包括跟随者(follower)和观察者(observer)，follower用于接受客户端请求并想客户端返回结果，在选主过程中参与投票

Observer ：可以接受客户端连接，将写请求转发给leader，但observer不参加投票过程，只同步leader的状态，observer的目的是为了扩展系统，提高读取速度

客户端(client) ：请求发起方

保证

顺序一致性： 客户端的更新将按发送顺序应用。

原子性： 更新成功或失败，没有部分结果。

统一视图： 无论服务器连接到哪个服务器，客户端都将看到相同的服务视图。即，即使客户端故障转移到具有相同会话的不同服务器，客户端也永远不会看到系统的旧视图。

可靠性： 一旦应用更新了，它将从那时起一直存在，直到客户端覆盖更新。

及时性： 系统的客户视图保证在特定时间范围内是最新的。

Znode 节点

Znode有两种类型：持久节点和临时节点 ，Znode的类型在创建的之后就不能在进行修改了。

临时节点

• 临时节点在客户端会话结束的时候，Zookeeper 会将临时节点(znode)删除，并且临时节点不能有子节点。利用临时节点的特性，我们可以使用临时节点来进行集群管理以及发现服务的上下线等。

创建临时节点命令：create-e/module1/app1 app1创建一个临时节点为 “/module1/app1” ，数据为 “app1”

持久节点

• 持久节点不依赖于客户端会话，只有当客户端明确要删除持久节点(znode)的时候才会被删除

创建临时节点命令：create/module1 module1创建一个临时节点为 “/module1” ，数据为 “module1”

顺序节点

• ZooKeeper 中还提供了一种顺序节点的类型，每次创建顺序节点时候，ZooKeeper 都会在路径后面自动添加10为的数据中，例如0000000001 计数器会保证在同一父节点下唯一，创建节点的时候会添加顺序，常见分布式锁。

顺序节点只是节点的一种特性，也就说不管是 持久节点还是 临时节点 都可以设置为顺序节点，所以Znode类型可以理解为 4种类型：

1. 持久节点
2. 临时节点
3. 持久顺序节点
4. 临时顺序节点

创建顺序节点命令(加上 “-s”参数)：create-s/module1/app app我们会看到 Created/module1/app0000000001意思是我们创建了一个持久顺序节点“/module1/app0000000001” 如果再执行上面命令 会生成节点 “/module1/app0000000002”，同理 如果我们 create-s后面添加 -e 参数，就表示我们创建了一个临时节点。

节点数据

• 创建节点的时候，我们可以指定节点中存储的数据，ZooKeeper可以保证读写都是原子操作，而且每次读写操作都是对数据的完整读取或者完成写入，不提供对数据的部分读取或者写入操作。
• ZooKeeper 虽然提供了节点存储数据的功能，但是我们并不能把它当成一个数据库，重点不要把Zookeeper 当成数据库用，因为Zookeeper 规定了节点的数据大小不能超过1M，所以我们不能在节点上存储过多的数据，尽可能保证小的数据量，因为数据过大，会导致ZK的性能下降。
• 如果确实需要存储大量的数据，一般可以在分布式数据库或者Redis保存这部分数据，然后在Znode中保留数据库中的索引。

Zookeeper单机模式安装

java 环境

配置JAVA环境，检验环境 java-version

下载安装Zookeeper

下载地址：https://zookeeper.apache.org/releases.html

下载解压Zookeeper

cd /usr/local/ 
wget https://dlcdn.apache.org/zookeeper/zookeeper-3.7.0/apache-zookeeper-3.7.0-bin.tar.gz 
tar -zxvf apache-zookeeper-3.7.0-bin.tar.gz 
cd zookeeper-3.7.0/ 

重命名配置文件 zoo_sample.cfg

cp conf 
/ 
zoo_sample 
. 
cfg conf 
/ 
zoo 
. 
cfg 

启动ZK

./ 
bin 
/ 
zkServer 
. 
sh start 

连接ZK客户端

./ 
bin 
/ 
zkCli 
. 
sh 

当我们看到下图的信息的时候，表示我们启动成功

Zookeeper命令

基本命令

• create : 在树中的某个位置创建一个节点
• delete : 删除一个节点存在：测试节点是否存在于某个位置
• get data : 从节点读取数据
• set data： 将数据写入节点
• get children : 检索节点的子节点列表
• sync : 等待数据被传播

操作Zookeeper

查看Zookeeper中包含的key

ls  
/ 

创建一个新的Znode 创建成功以后我们可以使用 ls/查看我们创建的内容

create /zkMxn muxiaonong ls /[zkMxn, zookeeper] 

get命令获取创建Znode的内容

get /zkMxn 

set 命令来对 zk 所关联的字符串进行设置

set /zkMxn mxn666 

删除Znode

delete /zkMxn 

Java Api操作 ZK

1. 导入Jar包

<dependency>  
 
<groupId>org.apache.zookeeper</groupId>  
 
<artifactId>zookeeper</artifactId> 
 
<version>3.6.3</version> 
 
</dependency> 
 
<!--junit单元测试-->  
 
<dependency>  
 
<groupId>junit</groupId>  
 
<artifactId>junit</artifactId>  
 
<version>4.13.2</version>  
 
<scope>runtime</scope>  
 
</dependency> 

2. API操作Zookeeper

创建Zookeeper对象

public ZooKeeper(String connectString, int sessionTimeout, Watcher watcher) throws IOException { 
      this(connectString, sessionTimeout, watcher, false); 
  } 

connectString： 连接的地址，包括主机名和端口号，多个的话用逗号隔开

sessionTimeout： 等待客户端通信的最长时间，客户端如果超过这个时间没有和服务端进行通信，那么就认为该客户端已经终止，一般设置值为 5-10秒，单位为毫秒

watcher： 监听器，用于接收会话事件的接口，需要自己定义，实现process()方法

连接Zookeeper

Zookeeper zkClient = ""; 
String connectStr = "192.168.2.1:2181"; 
zkClient = new ZooKeeper(connectStr, 5000, new Watcher() { 
    @Override 
    public void process(WatchedEvent watchedEvent) { } 
}); 

创建节点

public ZooKeeper(String connectString, int sessionTimeout, Watcher watcher) throws IOException { 
      this(connectString, sessionTimeout, watcher, false); 
  } 

• path： 节点路径
• data： 节点数据
• acl： 节点权限，例如： ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE

OPENACLUNSAFE：完全开发，采用world验证模式，由于每个ZK连接都有world验证模式，所以当我们节点设置了该参数时，对所有连接开放 CREATORALLACL：创建该Znode连接的拥有所有权限，这里采用的是auth验证模式，用sessionID做验证，如果设置了该参数，只有创建改Znode节点的连接才能对这个Znode进行任何操作 READACLUNSAFE：所有的客户端都可读，这里采用world验证模式，和第一条同理，所有连接都可以读取该znode

createMode： 节点类型，例如： CreateMode.PERSISTENT PERSISTENT：持久节点 PERSISTENTSEQUENTIAL：持久有序节点 EPHEMERAL：短暂节点 EPHEMERALSEQUENTIAL：短暂有序节点

完整APIDemo：

import lombok.extern.slf4j.Slf4j; 
import org.apache.zookeeper.*; 
import org.apache.zookeeper.data.Stat; 
import java.io.IOException; 
import java.io.UnsupportedEncodingException; 
import java.util.concurrent.CountDownLatch; 
 
/** @Author mxn 
  * @Description //TODO ZooKeeper Java API测试 
  * @Date 10:22 2021/9/29 
  * @Param 
  * @return 
 **/ 
@Slf4j 
public class ZookeeperTest { 
 
    // IP 和端口 
    private final static String ipAddress = "192.168.2.123:2181"; 
 
 
    public static void main(String[] args) { 
        ZookeeperTest test = new ZookeeperTest(); 
 
        String key = "/zkMxn"; 
        String value = "wo is muxiaonong"; 
        //创建Znode 
        test.add(key,value); 
//        获取节点数据 
//        test.get(key); 
        //修改节点数据 
//        test.modify(key,"wo is zhuzhuxia"); 
        //删除节点 
//        test.delete(key); 
 
 
    } 
 
    /** 
     * @return 
     * @Author mxn 
     * @Description //TODO 获取ZooKeeper连接 
     * @Date 10:22 2021/9/29 
     * @Param 
     **/ 
    public static ZooKeeper getConntection() { 
        ZooKeeper zooKeeper = null; 
        try { 
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1); 
            //watch机制(回调)，监听是否连接成功 
            zooKeeper = new ZooKeeper(ipAddress, 5000, new Watcher() { 
                @Override 
                public void process(WatchedEvent watchedEvent) { 
                    if (Event.KeeperState.SyncConnected == watchedEvent.getState()) { 
                        //如果受收到了服务端的响应事件，连接成功 
                        countDownLatch.countDown(); 
                    } 
                } 
            }); 
 
            countDownLatch.await(); 
            log.info("zookeeper状态：{}",zooKeeper.getState());//CONNECTED 
 
        } catch (IOException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
        return zooKeeper; 
    } 
 
   /** @Author lyy 
     * @Description //TODO 关闭ZooKeeper连接 
     * @Date 14:57 2021/9/29 
     * @Param  
     * @return  
    **/ 
    public static void closeConnection(ZooKeeper zooKeeper) { 
        try { 
//            zooKeeper.close(); 
        } catch (Exception e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
 
     
    /** @Author lyy 
      * @Description //TODO 添加节点 
      * @Date 13:36 2021/9/29 
      * @Param  
      * @return  
     **/ 
    public void add(String key ,String value) { 
        ZooKeeper zooKeeper = ZookeeperTest.getConntection(); 
        try { 
            //参数类型 
            //1.key 
            //2.value 
            //3.对应的ACL,当前节点的权限控制 
            //4.设置当前节点类型 
            zooKeeper.create(key, value.getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT); 
            ZookeeperTest.closeConnection(zooKeeper); 
        } catch (KeeperException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
 
   /** @Author lyy 
     * @Description //TODO 获取节点信息 
     * @Date 14:57 2021/9/29 
     * @Param  
     * @return  
    **/ 
    public void get(String key) { 
        ZooKeeper zooKeeper = ZookeeperTest.getConntection(); 
        Stat stat = new Stat(); 
        String data = null; 
        try { 
            byte[] bytes = zooKeeper.getData(key, null, stat); 
            data = new String(bytes, "gbk"); 
            log.info("当前节点信息:{}",data); 
            ZookeeperTest.closeConnection(zooKeeper); 
        } catch (KeeperException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } catch (UnsupportedEncodingException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
 
    /** @Author lyy 
      * @Description //TODO 修改节点信息 
      * @Date 14:57 2021/9/29 
      * @Param  
      * @return  
     **/ 
    public void modify(String key,String newValue) { 
        ZooKeeper zooKeeper = ZookeeperTest.getConntection(); 
        Stat stat = new Stat(); 
        //version乐观锁概念,此处需要获取version信息，则需要先get拿到节点信息 
        try { 
            //获取节点(修改需要version信息) 
            zooKeeper.getData(key, null, stat); 
            //再修改 
            zooKeeper.setData(key, newValue.getBytes(), stat.getVersion()); 
            ZookeeperTest.closeConnection(zooKeeper); 
        } catch (KeeperException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
 
   /** @Author lyy 
     * @Description //TODO 删除节点 
     * @Date 14:57 2021/9/29 
     * @Param  
     * @return  
    **/ 
    public void delete(String key) { 
        ZooKeeper zooKeeper = ZookeeperTest.getConntection(); 
        Stat stat = new Stat(); 
        try { 
            //获取节点(删除需要version信息) 
            zooKeeper.getData(key, null, stat); 
            //删除节点 
            zooKeeper.delete(key, stat.getVersion()); 
            ZookeeperTest.closeConnection(zooKeeper); 
        } catch (KeeperException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
 
    } 
} 

总结

到这里我们对Zookeeper 大概有个入门级的了解了，不过Zookeeper远远比我们这里讲述的功能多，如何用Zookeeper实现集群管理、分布式锁，队列等等，小农会在后面的文章中进行讲解，关注我，后续精彩内容第一时间推送。