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Zookeeper

简介

相对于开发在一台计算机上运行的单个程序，如何让一个应用中多个独立的程序协同工作是一件非常困难的事情。

ZooKeeper（由雅虎研究院开发，托管到Apache软件基金会） 的设计保证了其健壮性，这就使得应用开发人员可以更多关注应用本身的逻辑，而不是协同工作上。ZooKeeper 从文件系统 API 得到启发，提供一组简单的 API，使得开发人员可以实现通用的协作任务，包括

  • 选举主节点
  • 管理组内成员关系、
  • 管理元数据
  • 等等

ZooKeeper 包括

  • 一个主要提供 Java 语言应用开发库
  • 一个 C 语言应用开发库
  • 一个用 Java 实现的服务组件。

ZooKeeper 的服务组件运行在一组专用服务器之上，保证了高容错性和可扩展性。

你决定使用ZooKeeper来设计应用时，最好将应用数据和协同数据独立开。比如，网络邮箱服务的用户对自己邮箱中的内容感兴趣，但是并不关心由哪台服务器来处理特定邮箱的请求。

在这个例子中，邮箱内容就是应用数据，而从邮箱到某一台邮箱服务器之间的映射关系就是 协同数据（或称元数据）。整个 ZooKeeper 服务所管理的就是后者 。

关于 ZooKeeper 的系统功能的主线是：在分布式系统中协作多个任务（一个协作任务是指一个包含多个进程的任务）。这个任务可以是为了协作或者是为了管理竞争。

在 主-从（master-worker）工作模式中，主节点分配工作，从节点接受工作，这就是 协作 。

竞争 则不同。它指的是两个进程不能同时处理工作的情况，一个进程必须等待另一个进程。例如，多个节点都想称为主节点。

要实现主-从模式的系统，我们必须解决以下三个关键问题：

关键问题 描述
主节点崩溃 如果主节点发送错误并失效，系统将无法分配新的任务或重新分配已失败的任务。
从节点崩溃 如果从节点崩溃，已分配的任务将无法完成。
通信故障 如果主节点和从节点之间无法进行信息交换，从节点将无法得知新任务分配给它。

主节点失效面对的问题：

  • 备份主节点需要 恢复/获得 主节点崩溃前的状态。
  • 备份主节点可能会误以为主节点崩溃，从而导致出现两个主节点。
  • 从节点可能误认为主节点崩溃，从而与备份主节点建立主-从关系（脑裂）。

从节点失效面对的问题：

  • 主节点要具有检查从节点崩溃的能力。
  • 原从节点崩溃后（未能完成工作），主节点要能重新派发工作给新的可用的从节点。
  • 从节点崩溃时，如果执行的部分工作以生效，整个系统需要有“回滚”的能力。

通信故障面对的问题：

  • 主从断开连接，可能会导致一个工作被两个节点执行（一个工作被执行多次）。

可靠的 主-从 架构的要求：

主节点选举
: 这是关键的一步，使得主节点可以给从节点分配任务。

崩溃检测
: 主节点必须具有检测从节点崩溃或失去连接的能力。

组成员关系管理
: 主节点必须具有知道哪一个从节点可以执行任务的能力。

元数据管理
: 主节点和从节点必须具有通过某种可靠的方式来保存分配状态和执
行状态的能力。

一个在分布式计算领域非常著名的定律，FLP（由其作者命名：Fischer，Lynch，Patterson）或 CAP 定律，表示一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容错性（Partition-tolerance）。该定律指出，一个分布式系统无法同时满足这三种属性。

ZooKeeper 的作者们尽可能满足 一致性 和 可用性，牺牲了一定的分区容错性。

ZooKeeper 基础

ZooKeeper 操作和维护一个小型的数据节点，这些节点被称为znode，采用类似于文件系统的层级树状结构进行管理（znode 通过父-子关系组成一个树状结构）。znode 可以包含数据，也可以不包含数据（字节数组）。

ZooKeeper 的 API 暴露了以下方法：

API 说明
create /path data 创建一个名为/path的znode节点，并包含数据data。
delete /path 删除名为/path的znode。
exists /path 检查是否存在名为/path的节点。
setData /path data 设置名为/path的znode的数据为data。
getData /path 返回名为/path节点的数据信息。
getChildren /path 返回所有/path节点的所有子节点列表。

注意，读写 znode 的数据只能整体全部读写，不能读写一个 znode 中的某一部分数据。

ZooKeeper 客户端连接到 ZooKeeper 服务，通过 API 调用来建立会话 （session）。

znode 的节点类型：

znode 节点可以是 持久节点，还可以是 临时节点 。持久节点必须被 delete 删除，临时节点在客户端断开连接后就被删除。

持久节点用于保存数据。

临时节点的存在，暗示着它所对应的主机或从机的 存在/正常 。

临时节点不允许拥有子节点。

一个 znode 还可以设置为 有序节点 。一个有序 znode 节 点被分配唯一个单调递增的整数。当创建有序节点时，一个序号会被追加到路径之后。

因此，znode 一共有 4 种类型：

  • 持久的
  • 临时的
  • 持久有序的
  • 临时有序的

为了替换客户端的轮询，我们选择了基于 通知 的机制：客户端向 ZooKeeper 注册需要接收通知的 znode，通过对 znode 设置 监视点 来接收通知。

监视点是一个单次触发的操作，即监视点会触发一个通知。为了接收多个通知，客户端必须在每次通知后设置一个新的监视点。

通知机制的一个重要保障是，对同一个 znode 的操作，先向客户端传送通知，然后再对该节点进行变更。

客户端可以设置多种监视点，如:

  • 监控 znode 的数据变化
  • 监控 znode 子节点的变化
  • 监控 znode 的创建或删除

每一个 znode 都有一个版本号，它随着每次数据变化而自增。两个 API 操作可以有条件地执行：setData 和 delete。这两个调用以版本号作为转入参数，只有当转入参数的版本号与服务器上的版本号一致时调用才会成功。使用版本好可以阻止并行操作的不一致性问题。

ZooKeeper 服务器端运行于两种模式下：独立模式（standalone）和 仲裁模式（quorum）。

独立模式，有一个单独的服务器，ZooKeeper状态无法复制。

在仲裁模式下，具有一组 ZooKeeper 服务器，我们称为 ZooKeeper 集合（ZooKeeper ensemble），
它们之前可以进行状态的复制，并同时为服务于客户端的请求。

在仲裁模式中，由于 ZooKeeper 集群中的每个个体需要同步一切数据，所以为了提高效率，假设，一共有 5 个 ZooKeeper 服务器，但 法定人数 为3个，这样，只要任何 3 个服务器保存了数据，客户端就可以继续，而其他两个服务器最终也将捕获到数据，并保存数据。

在对 ZooKeeper 集合执行任何请求前，一个客户端必须先与服务建立会话。客户端提交给 ZooKeeper 的所有操作均关联在一个会话上。当一个会话因某种原因而中止时，在这个会话期间创建的临时节点将会消失。

对于 ZooKeeper 集群（冲裁模式下），ZooKeeper 客户端库透明地转移一个会话到不同的服务器。

会话提供了顺序保障，这就意味着同一个会话中的请求会以 FIFO 顺序执行。

一个会话的主要可能状态大多是简单明了的：CONNECTING、CONNECTED、CLOSED 和 NOT_CONNECTED。

当客户端与 ZooKeeper 服务器断开连接或者无法收到服务器的响应时，它就会转换回 CONNECTING 状态并尝试发现其他 ZooKeeper 服务器。如果可以发现另一个服务器或重连到原来的服务器，当服务器确认会话有效后，状态又会转换回 CONNECTED 状态。否则，它将会声明会话过期，然后转换到 CLOSED 状态。

主-从模式的模型中包括三个角色：

角色 说明
主节点 主节点负责监视新的从节点和任务，分配任务给可用的从节点。
从节点 从节点会通过系统注册自己，以确保主节点看到它们可以执行任务，然后开始监视新任务。
客户端 客户端创建新任务并等待系统的响应。

各种角色

抢先创建 /master 节点（临时节点）的“人”就是主节点角色。

要抢但未抢到创建 /master 节点的“人”会监视 /master 节点的消失，以便自己再次创建 /master，它就备份主节点角色。

在 /workers 节点下创建子节点的“人”就是从节点，它会在创建的节点中留下自己的信息（“联系方式”）。主节点会监视 /workers 节点下的内容变动，以感知从节点的出现和消失。

从节点会在创建 /assign 下创建自己对应的子节点，并等待客户端其中添加数据（分配工作）。

客户端在 /tasks 下创建子节点，来表示自己有个任务需要有人来完成。主节点会监视这个节点，以随时返现有人有任务请求。

主节点会将任务放入某个“人”的 /assign 对应的目录中，以表示让他完成这个任务。

执行任务的从机完成任务后，会向 /tasks 节点对应任务的节点下下添加一个子节点表示已完成，而客户端会监控并感知到任务完成。

ZooKeeper 的 API

ZooKeeper 使用了大量的第三方库。为此需要设置 CLASSPATH。

Windows 上

call ZOOKEEPER_HOME/bin/zkEnv.cmd

Linux 上

. ZOOKEEPER_HOME/bin/zkEnv.sh

ZooKeeper 的 API 都是围绕 ZooKeeper 的 句柄（handle）而构建，每个 API 调用都需要传递这个句柄。这个句柄代表了与 ZooKeeper 之间的一个会话。只要会话还存活着，这个句柄就始终有效。

... [myid:] - INFO  [...] - Server environment:java.io.tmpdir=C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\
... [myid:] - INFO  [...] - Server environment:java.compiler=
... [myid:] - INFO  [...] - Server environment:os.name=Windows 7
... [myid:] - INFO  [...] - Server environment:os.arch=amd64
... [myid:] - INFO  [...] - Server environment:os.version=6.1
... [myid:] - INFO  [...] - Server environment:user.name=Administrator
... [myid:] - INFO  [...] - Server environment:user.home=C:\Users\Administrator
... [myid:] - INFO  [...] - Server environment:user.dir=D:\Program Files\zookeeper-3.4.12\bin
... [myid:] - INFO  [...] - tickTime set to 2000
... [myid:] - INFO  [...] - minSessionTimeout set to -1
... [myid:] - INFO  [...] - maxSessionTimeout set to -1
... [myid:] - INFO  [...] - Using org.apache.zookeeper.server.NIOServerCnxnFactory as server connection factory
... [myid:] - INFO  [...] - bindingto port 0.0.0.0/0.0.0.0:2181
... [myid:] - INFO  [...] - Accepted socket connection from /127.0.0.1:64763
... [myid:] - INFO  [...] - Client attempting to establish new session at /127.0.0
.1:64763
... [myid:] - INFO  [...] - Creating new log file: log.9
... [myid:] - INFO  [...] - Established session 0x100003094e20000 with negotiated timeout 15000 for client /127.0.0.1:64763

... [myid:] - WARN  [...] - Exception causing close of session 0x100003094e20000: 远
程主机强迫关闭了一个现有的连接。
2018-06-20 19:58:09,827 [myid:] - INFO  [NIOServerCxn.Factory:0.0.0.0/0.0.0.0:21
81:NIOServerCnxn@1040] - Closed socket connection for client /127.0.0.1:64763 wh
ich had sessionid 0x100003094e20000
2018-06-20 19:58:21,166 [myid:] - INFO  [SessionTracker:ZooKeeperServer@354] - E
xpiring session 0x100003094e20000, timeout of 15000ms exceeded
2018-06-20 19:58:21,166 [myid:] - INFO  [ProcessThread(sid:0 cport:2181)::PrepRe
questProcessor@487] - Processed session termination for sessionid: 0x100003094e2
0000

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按字母分类： ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ其他