一起走进动物园管理员——ZooKeeper

作者：汤小洋
来源：http://blog.51cto.com/12402007/2331203

一、ZooKeeper简介

1. ZooKeeper是什么

​ Apache ZooKeeper是一个开源的分布式服务框架，为分布式应用提供协调服务，用来解决分布式应用中的数据管理问题，如：配置管理、域名服务、分布式同步、集群管理等
官网 https://zookeeper.apache.org/

2. ZooKeeper组成

​ 主要包括两部分：文件系统、通知机制

2.1 文件系统

​ ZooKeeper维护一个类似Linux文件系统的数据结构，用于存储数据

• 数据模型结构是一种树形结构，由许多节点构成
• 每个节点叫做ZNode（ZooKeeper Node）
• 每个节点对应一个唯一路径，通过该路径来标识节点，如 /app1/p_2
• 每个节点只能存储大约1M的数据

​ 节点类型有四种：

• 持久化目录节点 persistent

  客户端与服务器断开连接，该节点仍然存在

• 持久化顺序编号目录节点 persistent_sequential

  客户端与服务器断开连接，该节点仍然存在，此时节点会被顺序编号，如：000001、000002.....

• 临时目录节点 ephemeral

  客户端与服务器断开连接，该节点会被删除

• 临时顺序编号目录节点 ephemeral_sequential

  客户端与服务器断开连接，该节点会被删除，此时节点会被顺序编号，如：000001、000002.....

2.2 通知机制

​ ZooKeeper是一个基于观察者模式设计的分布式服务管理框架

1. ZooKeeper负责管理和维护项目的公共数据，并授受观察者的注册（订阅）
2. 一旦这些数据发生变化，ZooKeeper就会通知已注册的观察者
3. 此时观察者就可以做出相应的反应

​ 简单来说，客户端注册监听它关心的目录节点，当目录节点发生变化时，ZooKeeper会通知客户端

​ ZooKeeper是一个订阅中心（注册中心）

3. 应用场景

3.1 配置管理

​ 场景：集群环境、服务器的许多配置都是相同的，如：数据库连接信息，当需要修改这些配置时必须同时修改每台服务器，很麻烦

​ 解决：把这些配置全部放到ZooKeeper上，保存在ZooKeeper的某个目录节点中，然后所有的应用程序（客户端）对这个目录节点进行监视Watch，一旦配置信息发生变化，ZooKeeper会通知每个客户端，然后从ZooKeeper获取新的配置信息，并应用到系统中。

3.2 集群管理

​ 场景：集群环境下，如何知道有多少台机器在工作？是否有机器退出或加入？需要选举一个总管master，让总管来管理集群

​ 解决：在父目录GroupMembers下为所有机器创建临时目录节点，然后监听父目录节点的子节点变化，一旦有机器挂掉，该机器与ZooKeeper的连接断开，其所创建的临时目录节点被删除，所有其他机器都会收到通知。当有新机器加入时也是同样的道理。

​ 选举master：为所有机器创建临时顺序编号目录节点，给每台机器编号，然后每次选取编号最小的机器作为master

3.3 负载均衡

​ ZooKeeper本身是不提供负载均衡策略的，需要自己实现，所以准确的说，是在负载均衡中使用ZooKeeper来做集群的协调（也称为软负载均衡）

​ 实现思路：

1. 将ZooKeeper作为服务的注册中心，所有服务器在启动时向注册中心登陆自己能够提供的服务
2. 服务的调用者到注册中心获取能够提供所需要服务的服务器列表，然后自己根据负载均衡算法，从中选取一台服务器进行连接
3. 当服务器列表发生变化时，如：某台服务器宕机下线，或新机器加入，ZooKeeper会自动通知调用者重新获取服务列表

​ 实际上利用了ZooKeeper的特性，将ZooKeeper用为服务的注册和变更通知中心

二、ZooKeeper安装

1. 安装

​ ZooKeeper一般都运行在Linux平台

​ 步骤：

1. 解压zookeeper-3.4.13.tar.gz

   cd ~/software
   tar -zxf zookeeper-3.4.13.tar.gz

2. 配置

   # 创建存放数据文件的目录
   cd zookeeper-3.4.13/
   mkdir data
   # 创建配置文件
   cd conf
   cp zoo_sample.cfg zoo.cfg  # 默认使用的是zoo.cfg，名称固定
   # 修改配置文件
   vi zoo.cfg
   dataDir=../data  # 指定数据存放目录

   

3. 启动zookeeper

   cd bin
   ./zkServer.sh start | stop | status | restart  # 启动|停止|查看状态|重启

   

4. 客户端连接zookeeper

   ./zkCli.sh  # 启动客户端，默认连接本机的2181端口
   或
   ./zkCli.sh -server 服务器地址：端口 # 连接指定主机、指定端口的zookeeper
   quit  # 退出客户端

2. 配置文件

配置项	含义	说明
tickTime=2000	心跳时间	维持心跳的时间间隔，单位是毫秒 在zookeeper中所有的时间都是以这个时间为基础单元，进行整数倍配置
initLimit=10	初始通信时限	用于zookeeper集群，此时有多台zookeeper服务器，其中一个为Leader，其他都为Follower
syncLimit=5	同步通信时限	在运行时Leader通过心跳检测与Follower进行通信，如果超过syncLimit*tickTime时间还未收到响应，则认为该Follower已经宕机
dataDir=../data	存储数据的目录	数据文件也称为snapshot快照文件
clientPort=2181	端口号	默认为2181
maxClientCnxns=60	单个客户端的最大连接数限制	默认为60，可以设置为0，表示没有限制
autopurge.snapRetainCount=3	保留文件的数量	默认3个
autopurge.purgeInterval=1	自动清理快照文件和事务日志的频率	默认为0，表示不开启自动清理，单位是小时
dataLogDir=	存储日志的目录	未指定时日志文件也存放在dataDir中，为了性能最大化，一般建议把dataDir和dataLogDir分别放到不同的磁盘上

三、客户端操作

1. 常用命令

命令	作用	说明
help	查看帮助	查看所有操作命令
ls 节点路径	查看指定节点下的内容
ls2 节点路径	查看指定节点的详细信息	查看所有子节点和当前节点的状态
create 节点路径 内容	创建普通节点	如果内容中有空格，则需要使用对双引号引起来
get 节点路径	获取节点中的值
create -e 节点路径 内容	创建临时节点	当连接断开后，节点会被自动删除
create -s 节点路径 内容	创建顺序编号节点	即带序号的节点
delete 节点路径	删除节点	只能删除空节点，即不能有子节点
rmr 节点路径	递归删除节点	remove recursion
stat 节点路径	查看节点状态
set 节点路径 新值	修改节点内容

2. 详解

​ 查看指定节点的详细信息： ls2 /

# 子节点名称数组
[zookeeper]

-----------节点的状态信息，也称为stat结构体-------------------

创建该znode的事务的zxid(ZooKeeper Transaction ID)

事务ID是ZooKeeper为每次更新操作/事务操作分配一个全局唯一的id，表示zxid，值越小，表示越先执行

cZxid = 0x0 # 0x0表示十六进制数0

创建时间

ctime = Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970

最后一次更新的zxid

mZxid = 0x0

最后一次更新的时间

mtime = Thu Jan 01 08:00:00 CST 1970

最后更新的子节点的zxid

pZxid = 0x0

子节点的变化号，表示子节点被修改的次数，-1表示从未被修改过

cversion = -1

当前节点的变化号，0表示从未被修改过

dataVersion = 0

访问控制列表的变化号 access control list

aclVersion = 0

如果临时节点，表示当前节点的拥有者的sessionId

如果不是临时节点，则值为0

ephemeralOwner = 0x0

数据长度

dataLength = 0

子节点数据

numChildren = 1

​ 顺序编号节点：

• 顺序编号会紧跟在节点名称后面，节点最终名称为：节点名+序号，如/test0000000005
• 顺序编号是一个递增的计数器
• 顺序编号是由父节点维护，从已有的子节点个数开始（包括临时节点和被删除的节点）
• 如果子节点为空，则从0000000000开始，依次递增1
• 在分布式系统中，顺序编号可以被用于为所有的事件进行全局排序，这样客户端就可以根据序号推断事件的顺序

四、ZooKeeper集群

1. 配置集群

​ 步骤：

1. 准备多台ZooKeeper服务器

2. 配置ZooKeeper服务器

   在每台服务器的conf/zoo.cfg文件中添加如下内容：

   server.20=192.168.4.20:2888:3888
   server.21=192.168.4.21:2888:3888
   server.22=192.168.4.22:2888:3888

   格式：server.A=B:C:D

   • A表示这台服务器的编号ID，是一个数字
   • B表示服务器的IP地址或域名
   • C表示这台服务器与集群中的Leader交换信息时使用的端口
   • D表示执行选举Leader服务器时互相通信的端口

3. 创建myid配置文件

   在集群环境下，需要在dataDir目录中创建一个名为myid的文件，文件内容是当前服务器的编号ID，即上面配置的A

   cd data
   echo A的值 > myid

   ZooKeeper启动时会读取这个文件，将里面的数字与zoo.cfg中配置的server.A进行比较，从而判断这台服务器是哪个

4. 测试集群环境

   启动所有ZooKeeper服务器，查看状态

   此时在某台服务器上执行更新操作时，其他服务器也会同步

2. 集群特性

• 一个ZooKeeper集群中，有一个领导者Leader和多个跟随者Follower
• Leader负责进行投票的发起和决议，更新系统状态
• Follower用于接收客户端的请求并向客户端返回结果，在选举Leader过程中参与投票
• 半数机制：集群中只要有半数以上节点存活，集群就能够正常工作，所以一般集群中的服务器个数都为奇数
• 全局数据一致：集群中每台服务器保存一份相同的数据副本，不论客户端连接到哪个服务器，数据都是一致的
• 更新请求顺序执行：来自同一个客户端的更新请求，按其发送顺序依次执行
• 数据更新的原子性：一次数据更新，要么成功，要么失败
• 实时性：在一定的时间范围内，客户端能读取到最新数据

3. 选举机制

​ ZooKeeper在提供服务时会自动选举一个节点服务器作为Leader，其他都是Follower

​ 选举流程：

1. Server1启动，给自己投票，然后发送投票信息，由于其它服务器都还没启动，所以它发现的消息收不到任何反馈，此时Server1为Looking状态
2. Server2启动，给自己投票，同时与Server1通信交换选举结果，由于Server2的id值较大，所以Server2胜出，但由于投票数没有过半，此时Server1和Server2都为Looking状态
3. Server3启动，给自己投票，同时与Server1和Server2通信交换选举结果，由于Server3的id值较大，所以Server3胜出，此时票数已经过半，所以Server3为Leader，Server1和Server2为Follower
4. Server4启动，给自己投票，同时与Server1、Server2、Server3通信交换选举结果，尽管Server4的id较大，但由于集群中已经存在Leader，所以Server4只能为Follower
5. Server5启动，同Server4类似，只能为Follower

​ 总结：

• 每个服务器在启动时都会选择自己，然后将投票信息发送出去
• 服务器编号ID越大，在选择算法中的权重越大
• 投票数必须过半，才能选出Leader
• 谁是Leader：启动顺序的前集群数/2+1个服务器中，id值最大的会成为Leader

4. 监听机制

4.1 监听节点值的变化

# 在集群的A服务器，监听某个节点值的变化
get /yyy watch

# 在集群的B服务器，修改对应节点的值
set /yyy myyyy

# 此时A服务器会收到事件NodeDataChanged
WATCHER::
WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeDataChanged path:/yyy

监听Watch事件是一个一次性的触发器，当数据改变时只会触发一次，如果以后这个数据再发生改变，则不会再次触发

4.2 监听节点的子节点变化

# 在集群的A服务器，监听某个节点的子节点的变化 
ls /yyy watch

# 在集群的B服务器，创建/修改/删除对应节点的子节点
create /yyy/hello hello

# 此时A服务器会收到事件NodeChildrenChanged
WATCHER::
WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeChildrenChanged path:/yyy

五、Java访问ZooKeeper

Java操作Zookeeper很简单，只需要添加ZooKeeper客户端的依赖即可，可以进行节点信息的获取、管理等。

​ 步骤：

1. 添加jar包

   
   <dependency>
      <groupId>org.apache.zookeepergroupId>
      <artifactId>zookeeperartifactId>
      <version>3.4.13version>
   dependency>

2. 操作

   public static void main(String[] args) throws IOException, KeeperException, InterruptedException {
      //获取ZooKeeper的连接，即创建ZooKeeper的客户端
      String connectString = "127.0.0.1:2181";  //服务器地址
      int sessionTimeout = 3000; //超时时间，单位为毫秒
      Watcher watcher = new MyWatcher();
      ZooKeeper zkClient = new ZooKeeper(connectString, sessionTimeout, watcher);
     Thread.sleep(2000);
      System.out.println(zkClient.getState());
      /**
           * 操作ZooKeeper
           */
      //查看指定节点下的内容
      List children = zkClient.getChildren("/", true);//第二个参数表示是否监视该节点
      System.out.println(children);
      //创建节点，OPEN_ACL_UNSAFE表示acl权限列表为完全开放，PERSISTENT表示节点类型为持久化节点
      zkClient.create("/world", "世界".getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
   //获取节点的数据（节点的值和节点状态Stat）
      byte[] data = zkClient.getData("/world", true, null);
      System.out.println(new String(data));
      Stat stat = new Stat();
      byte[] data = zkClient.getData("/hello", true, stat);
      byte[] data = zkClient.getData("/hello", new DataWatcher(), stat);
      System.out.println(new String(data));
      System.out.println(stat);
      System.out.println(stat.getCtime());
      System.out.println(stat.getVersion());
      System.out.println(stat.getDataLength());
   //修改节点的数据
      // zkClient.setData("/hello","aaa".getBytes(),stat.getVersion()); //第三个参数表示当前节点的数据版本，一般先获取数据stat，然后指定数据版本
      zkClient.setData("/hello", "bbb".getBytes(), -1);  //也可以设置为-1，表示不检测版本
    //删除节点
      zkClient.delete("/hello", -1);
   //判断节点是否存在
      System.out.println(zkClient.exists("/hello",false));  //存在时返回节点状态，不存在则返回null
   //休眠
      Thread.sleep(1000000);
   //关闭连接
      zkClient.close();
   }