大数据入门之zookeeper的功能及工作原理，完结版

 

本文接“上文”继续讲解zookeeper相关的技术点，所以序号接上文。

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11.分布式与数据复制

Zookeeper作为一个集群提供一致的数据服务，自然，它要在所有机器间做数据复制。数据复制的好处：

（1）、容错：一个节点出错，不致于让整个系统停止工作，别的节点可以接管它的工作；

（2）、提高系统的扩展能力：把负载分布到多个节点上，或者增加节点来提高系统的负载能力；

（3）、提高性能：让客户端本地访问就近的节点，提高用户访问速度。

从客户端读写访问的透明度来看，数据复制集群系统分下面两种：

（1）、写主(WriteMaster) ：对数据的修改提交给指定的节点。读无此限制，可以读取任何一个节点。这种情况下客户端需要对读与写进行区别，俗称读写分离；

（2）、写任意(Write Any)：对数据的修改可提交给任意的节点，跟读一样。这种情况下，客户端对集群节点的角色与变化透明。

对zookeeper来说，它采用的方式是写任意。通过增加机器，它的读吞吐能力和响应能力扩展性非常好，而写，随着机器的增多吞吐能力肯定下降（这也是它建立observer的原因），而响应能力则取决于具体实现方式，是延迟复制保持最终一致性，还是立即复制快速响应。

12.Zookeeper角色描述

 

13.Zookeeper与客户端

 

14.Zookeeper设计目的

（1）.最终一致性：client不论连接到哪个Server，展示给它都是同一个视图，这是zookeeper最重要的性能。

（2）.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。

（3）.实时性：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信息，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。

（4）.等待无关（wait-free）：慢的或者失效的client不得干预快速的client的请求，使得每个client都能有效的等待。

（5）.原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。

（6）.顺序性：包括全局有序和偏序两种：全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布，则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布；偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布，a必将排在b前面。

15.Zookeeper工作原理

Zookeeper 的核心是原子广播，这个机制保证了各个Server之间的同步。实现这个机制的协议叫做Zab协议。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者在领导者崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，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。

16.Zookeeper下Server工作状态

每个Server在工作过程中有三种状态：

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

17.Zookeeper选主流程baiscpaxos

当leader崩溃或者leader失去大多数的follower，这时候zk进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的leader，让所有的Server都恢复到一个正确的状态。Zk的选举算法有两种：一种是基于basic paxos实现的，另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。

（1）.选举线程由当前Server发起选举的线程担任，其主要功能是对投票结果进行统计，并选出推荐的Server；

（2）.选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；

（3）.选举线程收到回复后，验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致)，然后获取对方的id(myid)，并存储到当前询问对象列表中，最后获取对方提议的leader相关信息(id,zxid)，并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中；

（4）.收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的那个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server；

（5）.线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader，如果此时获胜的Server获得n/2 + 1的Server票数，设置当前推荐的leader为获胜的Server，将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态，否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。 通过流程分析我们可以得出：要使Leader获得多数Server的支持，则Server总数必须是奇数2n+1，且存活的Server的数目不得少于n+1. 每个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，如果是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息，zk会记录事务日志并定期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复。选主的具体流程图所示：

 

18.Zookeeeper选主流程fastpaxos

fast paxos流程是在选举过程中，某Server首先向所有Server提议自己要成为leader，当其它Server收到提议以后，解决epoch和 zxid的冲突，并接受对方的提议，然后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后一定能选举出Leader。

 

19.Zookeeper同步流程

选完Leader以后，zk就进入状态同步过程。

（1）. Leader等待server连接；

（2） .Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；

（3） .Leader根据follower的zxid确定同步点；

（4） .完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；

（5） .Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。

 

20.Zookeeper工作流程-Leader

（1） .恢复数据；

（2） .维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；

（3） .Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根据不同的消息类型，进行不同的处理。

PING 消息是指Learner的心跳信息；

REQUEST消息是Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求；

ACK消息是 Follower的对提议的回复，超过半数的Follower通过，则commit该提议；

REVALIDATE消息是用来延长SESSION有效时间。

 

21.Zookeeper工作流程-Follower

Follower主要有四个功能：

（1）.向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；

（2）.接收Leader消息并进行处理；

（3）.接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；

（4）.返回Client结果。

Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：

（1）.PING消息： 心跳消息；

（2） .PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；

（3） .COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；

（4）.UPTODATE消息：表明同步完成；

（5） .REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；

（6）.SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。