Zookeeper的基础知识是什么

本文向您展示了Zookeeper的基本知识，简洁易懂。它一定会让你的眼睛发光。希望通过这篇文章的详细介绍，你能有所收获。

简介

Apache ZooKeeper是一个分布式、开源的分布式应用协调服务，由Client和Server组成。服务器提供一致的复制和存储服务。客户端包含一个简单的原语集，基于这个原语集，分布式应用程序可以实现同步服务、配置维护和命名服务等。ZooKeeper的设计非常容易编程。ZooKeeper维护了一个分层的名称空间，它采用了类似于树的数据结构，类似于标准的文件系统。因为从头开始实现一个分布式的协同服务是非常困难的。最常见的问题是竞争条件和死锁。Apache ZooKeeper的目标是封装复杂易错的关键服务，为用户提供易于使用的高性能稳定功能的接口和系统。

Zookeepr的数据存储在内存中(更新后的数据会持久化到磁盘上)，所以它的吞吐量会很高，延迟会很低。ZooKeeper的实现更加注重高性能、高可用和严格有序的访问。Zookeeper的性能使其能够在大规模分布式系统中使用，高可用性可以避免单点故障，严格有序的访问可以使Client实现复杂的同步原语。

Zookeeper系统模型

上图中的哪些服务器组成了Zookeeper服务，每个服务器都知道对方的存在。这些服务器在内存中保存状态的镜像，并通过事务日志和快照保存到硬盘上。只要集群中的大多数服务器都可以访问，ZooKeeper服务就可以使用。

客户端将连接到动物园管理员服务器。客户机和服务器保持一个长的TCP连接。通过这种TCP长连接，客户端可以发送请求、获取响应、获取观察事件和发送心跳(客户端和服务器通过心跳保持连接，即会话)。如果与服务器的长TCP连接断开，则客户端将连接到另一台服务器。

Zookeeper是有序的：的动物园管理员使用邮票作为所有交易的顺序。

Zookeeper是非常快的:特别是在面向读取的情况下，Zookeeper应用可以在数千台机器上运行，读写比为1033601时性能最好。

Zookeeper数据模型

ZooKeeper数据模型的结构与Unix文件系统非常相似，可以看作是一个整体的树，每个节点称为一个ZNode。每个ZNode可以存储少量数据(默认为1M，可以通过配置修改，一般不建议在ZNode上存储大量数据)。以下是动物园管理员的一些重要概念：

1、Znode

1.Zookeeper节点称为Znode，每个节点都有一个唯一的路径标记。氧化锌有两种类型：1 .普通Znode2、短暂的(暂时的)节点

2.Znode维护stat结构，其中包含数据、ACL更改的版本号和时间戳，以允许缓存验证和协调更新。当znode的数据发生变化时，版本号会增加。

3.Znode可以有子节点，Znode可以存储数据，但是短暂(临时)的Znode不能有子节点。

4.Znode数据可以有多个版本，客户端可以根据版本获取该节点的数据。

5.如果创建临时节点的客户端和服务器之间的连接丢失，零节点将被自动删除。

6、Znode可以自动编号。

7.可以在Znode中添加watch，用于监控该节点中存储的数据是否被修改，以及子节点目录的变化等。一旦发生更改，就可以通知监控客户端。

8.Znode的读写操作是原子的，每个Znode都有一个访问控制列表(ACL)来控制谁可以做什么操作。

第二，会议

客户端和动物园管理员之间的通信需要创建一个会话，该会话将会超时。因为Zookeeper集群将保存客户端的会话信息，所以在会话到期之前，客户端和Zookeeper服务器之间的连接可以在ZooKeeper服务器之间透明地移动。

在实际应用中，如果客户机和服务器之间的通信足够频繁，会话的维护就不需要其他额外的消息。否则，如果客户机2T/3毫秒不发送心跳信号，动物园管理员客户机将每T/3毫秒向服务器发送一次心跳信号

收到来自Server的心跳回应，就会换到一个新的ZooKeeper Server上。这里T是用户配置的Session的超时时间。

三，Watcher
ZooKeeper支持一种Watch操作，Client可以在某个ZNode上设置一个Watcher，来Watch该ZNode上的变化。如果该ZNode上有相应的变化，就会触发这个Watcher，把相应的事件通知给设置Watcher的Client。需要注意的是，ZooKeeper中的Watcher是一次性的，即触发一次就会被取消，如果想继续Watch的话，需要客户端重新设置Watcher。

四，事务日志和快照

dataDir目录指定了Zookeeper的数据目录，用于存储Zookeeper的快照文件（snapshot）。

dataLogDir定义了Zookeeper的事务日志目录，目录存放Zookeeper的事务日志，正常情况下，所有的更新操作在返回客户端更新成功前，Zookeeper肯定已经将本次更新操作写入到事务日志了（即磁盘中）。事务日志的文件名是log.，zxid是写入这个文件的第一个事务id。在完成若干次事务后会一次数据快照，将当前Server上所有节点的状态以快照文件的形式dump到磁盘上去，即snapshot文件。

Zookeeper角色

Zookeepr角色分可以分为四类：

Server的状态可以分为如下四种：

leading：当前Server为Leader。

following：当前Server为Follower。

observing：当前Server为Observer。

looking：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻。

Zookeeper特性

顺序一致性：按照客户端发送请求的顺序更新数据。Zookeeper是不属于强一致性，因为watcher没办法扑捉到每次的变化。
原子性：更新要么成功，要么失败，不会出现部分更新。
单一系统映像 ：无论客户端连接哪个server，都会看到同一个视图。
可靠性：具有简单、健壮、良好的性能，如果消息被到一台服务器接受，那么它将被所有的服务器接受。
时效性：Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新数据，或者服务器失效的信息。但由于网络延时等原因，Zookeeper不能保证两个客户端能同时得到刚更新的数据，如果需要最新数据，应该在读数据之前调用sync()接口。

ZooKeeper原理

Zookeeper的核心是原子广播，通过Zab协议保证各个Server之间数据的同步。Zab协议有两种模式，分别是恢复模式（选举Leader）和广播模式（同步）。服务启动或者Leader崩溃后，Zab就会进入了恢复模式，当Leader被选举出来，且大多数Server完成了和leader的状态同步以后，恢复模式就结束了。状态同步保证了Leader和Server具有相同的系统状态。

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。所有的提议（proposal）都在被提出的时候加上了zxid。实现中zxid是一个64位的数字，它高32位是epoch用来标识leader关系是否改变，每次一个leader被选出来，它都会有一个新的epoch，标识当前属于那个leader的统治时期。低32位用于递增计数。

每个Server在工作过程中有四种状态：
    LOOKING：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻。
    LEADING：当前Server即为选举出来的leader。
    FOLLOWING：leader已经选举出来，当前Server与之同步。
    OBSERVING：不选举，只从Leader同步状态。

Zookeeper API

Zookeeper的一个设计目标是提供简单的编程接口，仅仅支持如下操作：

create：创建一个Znode。path是其路径，data是要存储在该Znode上的数据，createMode包括：PERSISTEN，PERSISTENT_SEQUENTAIL，EPHEMERAL，EPHEMERAL_SEQUENTAIL。

delete：删除一个Znode。可以删除指定版本的Znode，如果version设置为-1的话，就删除所有的版本。

exists：判断Znode是否存在，设置是否Watch这个Znode。

get data：读取指定Znode上的数据，并设置是否watch这个Znode。

set data：更新指定Znode的数据，并设置是否Watch这个Znode。

get children：更新指定ZNode的数据，并设置是否Watch这个Znode。

sync：把sync之前的更新操作都同步过来。

set acl：设置指定ZNode的Acl信息

get acl：获取指定ZNode的Acl信息

其他

读、写(更新)模式：
Zookeeper集群中，客户端可以从任意一个ZooKeeper服务器读取，这一特点保证了ZooKeeper有比较好的读性能；

写的请求会先Forwarder到Leader，然后由Leader来通过ZooKeeper中的原子广播协议，将请求广播给所有的Follower，Leader收到一半以上的写成功的Ack后，就认为该写成功了，就会将该写进行持久化，并告诉客户端写成功了。

WAL(Write-Ahead-Log)和Snapshot：
ZooKeeper也有WAL，每一个更新操作，ZooKeeper都会先写WAL，然后再对内存中的数据做更新，最后向Client通知更新结果。

ZooKeeper还会定期将内存中的目录树进行Snapshot，落地到磁盘上。其实跟HDFS中的fsimage和edits log是类似的。这么做的主要目的，一当然是数据的持久化，二是加快重启之后的恢复速度，如果全部通过Replay WAL的形式恢复的话，会比较慢。

FIFO：
对于每一个ZooKeeper客户端而言，所有的操作都是遵循FIFO顺序的，这一特性是由下面两个基本特性来保证的：

一是ZooKeeper Client与Server之间的网络通信是基于TCP，TCP保证了Client/Server之间传输包的顺序；

二是ZooKeeper Server执行客户端请求也是严格按照FIFO顺序的。

线性化：
ZooKeeper包括全局有序和偏序两种：

全局有序是针对服务器端。例如：在一台服务器上消息A在消息B前发布，那么所有服务器上的消息A都将在消息B前被发布；

偏序是针对客户端。例如：在同一个客户端发送消息B在消息A后发布，那么执行的顺序必将是先执行消息A然后在是消息B；

所有的更新操作都有严格的偏序关系，更新操作都是串行执行的，这一点是保证ZooKeeper功能正确性的关键。

使用场景

1，数据发布与订阅

2，名空间服务

3，分布式通知/协调

4，分布式锁

5，集群管理

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