ZooKeeper是一个开放源码的分布式应用程序协调服务,它包含一个简单的原语集,分布式应用程序可以基于它实现同步服务,配置维护和命名服务等。
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m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
Zookeeper会维护一个具有层次关系的数据结构,它非常类似于一个标准的文件系统,如图所示:
1)每个子目录项如NameService都被称作为znode,这个znode是被它所在的路径唯一标识,如Server1这个znode的标识为/NameService/Server1。
2)znode可以有子节点目录,并且每个znode可以存储数据,注意EPHEMERAL(临时的)类型的目录节点不能有子节点目录。
3)znode是有版本的(version),每个znode中存储的数据可以有多个版本,也就是一个访问路径中可以存储多份数据,version号自动增加。
4)znode的类型:
Persistent 节点,一旦被创建,便不会意外丢失,即使服务器全部重启也依然存在。每个 Persist 节点即可包含数据,也可包含子节点。Ephemeral 节点,在创建它的客户端与服务器间的 Session 结束时自动被删除。服务器重启会导致 Session 结束,因此 Ephemeral 类型的 znode 此时也会自动删除。Non-sequence 节点,多个客户端同时创建同一 Non-sequence 节点时,只有一个可创建成功,其它匀失败。并且创建出的节点名称与创建时指定的节点名完全一样。Sequence 节点,创建出的节点名在指定的名称之后带有10位10进制数的序号。多个客户端创建同一名称的节点时,都能创建成功,只是序号不同。
5)znode可以被监控,包括这个目录节点中存储的数据的修改,子节点目录的变化等,一旦变化可以通知设置监控的客户端,这个是Zookeeper的核心特性,Zookeeper的很多功能都是基于这个特性实现的。
6)ZXID:每次对Zookeeper的状态的改变都会产生一个zxid(ZooKeeper Transaction Id),zxid是全局有序的,如果zxid1小于zxid2,则zxid1在zxid2之前发生。
Client和Zookeeper集群建立连接,整个session状态变化如图所示:
如果Client因为Timeout和Zookeeper Server失去连接,client处在CONNECTING状态,会自动尝试再去连接Server,如果在session有效期内再次成功连接到某个Server,则回到CONNECTED状态。
注意:如果因为网络状态不好,client和Server失去联系,client会停留在当前状态,会尝试主动再次连接Zookeeper Server。client不能宣称自己的session expired,session expired是由Zookeeper Server来决定的,client可以选择自己主动关闭session。
Zookeeper watch是一种监听通知机制。Zookeeper所有的读操作getData(), getChildren()和 exists()都可以设置监视(watch),监视事件可以理解为一次性的触发器,官方定义如下: a watch event is one-time trigger, sent to the client that set the watch, whichoccurs when the data for which the watch was set changes。Watch的三个关键点:
当设置监视的数据发生改变时,该监视事件会被发送到客户端,例如,如果客户端调用了getData("/znode1", true) 并且稍后 /znode1 节点上的数据发生了改变或者被删除了,客户端将会获取到 /znode1 发生变化的监视事件,而如果 /znode1 再一次发生了变化,除非客户端再次对/znode1 设置监视,否则客户端不会收到事件通知。
Zookeeper客户端和服务端是通过 socket 进行通信的,由于网络存在故障,所以监视事件很有可能不会成功地到达客户端,监视事件是异步发送至监视者的,Zookeeper 本身提供了顺序保证(ordering guarantee):即客户端只有首先看到了监视事件后,才会感知到它所设置监视的znode发生了变化(a client will never see a change for which it has set a watch until it first sees the watch event)。网络延迟或者其他因素可能导致不同的客户端在不同的时刻感知某一监视事件,但是不同的客户端所看到的一切具有一致的顺序。
这意味着znode节点本身具有不同的改变方式。你也可以想象 Zookeeper 维护了两条监视链表:数据监视和子节点监视(data watches and child watches) getData() 和exists()设置数据监视,getChildren()设置子节点监视。或者你也可以想象 Zookeeper 设置的不同监视返回不同的数据,getData() 和 exists() 返回znode节点的相关信息,而getChildren() 返回子节点列表。因此,setData() 会触发设置在某一节点上所设置的数据监视(假定数据设置成功),而一次成功的create() 操作则会出发当前节点上所设置的数据监视以及父节点的子节点监视。一次成功的 delete操作将会触发当前节点的数据监视和子节点监视事件,同时也会触发该节点父节点的child watch。
Zookeeper 中的监视是轻量级的,因此容易设置、维护和分发。当客户端与 Zookeeper 服务器失去联系时,客户端并不会收到监视事件的通知,只有当客户端重新连接后,若在必要的情况下,以前注册的监视会重新被注册并触发,对于开发人员来说这通常是透明的。只有一种情况会导致监视事件的丢失,即:通过exists()设置了某个znode节点的监视,但是如果某个客户端在此znode节点被创建和删除的时间间隔内与zookeeper服务器失去了联系,该客户端即使稍后重新连接 zookeeper服务器后也得不到事件通知。
Zookeeper是一个高效的、可扩展的服务,read和write操作都被设计为快速的,read比write操作更快。
顺序一致性(Sequential Consistency):从一个客户端来的更新请求会被顺序执行。
原子性(Atomicity):更新要么成功要么失败,没有部分成功的情况。
唯一的系统镜像(Single System Image):无论客户端连接到哪个Server,看到系统镜像是一致的。
可靠性(Reliability):更新一旦有效,持续有效,直到被覆盖。
时间线(Timeliness):保证在一定的时间内各个客户端看到的系统信息是一致的。
在zookeeper的集群中,各个节点共有下面3种角色和4种状态:
角色:leader,follower,observer
状态:leading,following,observing,looking
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(ZooKeeper Atomic Broadcast protocol)。Zab协议有两种模式,它们分别是恢复模式(Recovery选主)和广播模式(Broadcast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。