Programming with ZooKeeper - A basic tutorial
http://zookeeper.apache.org/doc/trunk/zookeeperTutorial.html在这个教程中，我们演示了使用zookeeper构建指标（barrier这个词实在太难翻译）和生产者消费者模型的简单实现，我们称各自的类为Barrier和队列。这些样例假设你至少有一个zookeeper服务器在运行。两个原语都使用以下公共代码片段。
static ZooKeeper zk = null;
static Integer mutex;
String root;
SyncPrimitive(String address) {
if(zk == null){
try {
System.out.println("Starting ZK:");
zk = new ZooKeeper(address, 3000, this);
mutex = new Integer(-1);
System.out.println("Finished starting ZK: " + zk);
} catch (IOException e) {
System.out.println(e.toString());
zk = null;
}
}
}
synchronized public void process(WatchedEvent event) {
synchronized (mutex) {
mutex.notify();
}
}
所有的类都继承自SyncPrimitive。因此，在SyncPrimitive我们执行所有原语公共的步骤。为了保值样例的简单，我们第一次创建了一个zookeeper对象不管我们是实例化一个Barrier 还是一个队列对象，我们声明一个静态变量引用这个对象。随后的Barrier 和Queue实例检查一个zookeeper对象是否存在。替代的，我们可以在程序中创建一个zookeeper对象并传递到Barrier和Queue对象的构造函数中。
我们使用process()方法来处理由监视器触发的通知。在接下来的讨论中，我们展示了设置监视器的代码。一个监视器是一个可以使zookeeper通知一个客户端节点状态改变的内部结构。例如，如果一个客户端等待其他的客户端离开一个barrier，它就可以设置一个监视器并等待一个特定节点的修改，该节点可以指示等待列表的结束。这一点会变的清晰一旦我们走一下这个例子。
一个barrier是一个可以使一组操作同步开始和结束的原语。一般实现方案是由一个barrier节点做为各个操作节点的父亲。假设我们叫barrier节点是 "/b1". 然后每个操作"p"会创建节点"/b1/p"。一般足够的操作都创建了他们相应的节点，下一个进程就开始计算。
在这个例子中，每个操作实例化一个Barrier对象，它的构造器接受以下参数。
ZooKeeper服务器的地址(例如, "zoo1.foo.com:2181")
barrier 在zookeeper上的路径(例如, "/b1")
一组操作的个数
Barrier的构造器向父类的构造器传递了zookeeper服务器的地址，父类创建一个zookeeper实例如果一个实例都不存在的话。然后Barrier的构造器
在zookeeper上创建一个barrier节点，它是所有处理节点的父节点，我们叫做根（注意：这不是zookeeper的根"/"）
/**
* Barrier constructor
*
* @param address
* @param root
* @param size
*/
Barrier(String address, String root, int size) {
super(address);
this.root = root;
this.size = size;
// Create barrier node
if (zk != null) {
try {
Stat s = zk.exists(root, false);
if (s == null) {
zk.create(root, new byte[0], Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT);
}
} catch (KeeperException e) {
System.out
.println("Keeper exception when instantiating queue: "
+ e.toString());
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Interrupted exception");
}
}
// My node name
try {
name = new String(InetAddress.getLocalHost().getCanonicalHostName().toString());
} catch (UnknownHostException e) {
System.out.println(e.toString());
}
}
进入barrier后，一个进程调用enter()。该进程在root下创建一个节点来代表他，使用它的主机名来形成节点的名字。然后就开始等待足够的操作进入这个barrier。一个进程通过使用getChildren()来检查root下孩子的个数。如果没有达标则等待通知。为了接受一个当根节点变动的时候通知。该操作不得不设置一个监视器，通过调用getChildren()来设置。在代码中，getChildren()有两个参数。第一个标示要读的节点，第二个是一个布尔值，它使这个操作设置一个监视器。在代码中标志是true。
/**
* Join barrier
*
* @return
* @throws KeeperException
* @throws InterruptedException
*/
boolean enter() throws KeeperException, InterruptedException{
zk.create(root + "/" + name, new byte[0], Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
while (true) {
synchronized (mutex) {
List<String> list = zk.getChildren(root, true);
if (list.size() < size) {
mutex.wait();
} else {
return true;
}
}
}
}
注意enter()方法抛出KeeperException和InterruptedException，因此应用程序应负责捕捉和处理这些异常。
一旦计算完成，一个进场调用leave()离开这个barrier。首先他删除它的相应节点，然后他获取根节点的孩子。如果这至少有一个节点，于是他就等待一个通知。直到接到一个通知，它再次检查根节点是否有一些孩子。
/**
* Wait until all reach barrier
*
* @return
* @throws KeeperException
* @throws InterruptedException
*/
boolean leave() throws KeeperException, InterruptedException{
zk.delete(root + "/" + name, 0);
while (true) {
synchronized (mutex) {
List<String> list = zk.getChildren(root, true);
if (list.size() > 0) {
mutex.wait();
} else {
return true;
}
}
}
}
}
生产者-消费者队列
生产者消费者队列是一个分布式数据结构的一组用于生成和消费数据的过程。生产者进程创建新的元素并把它们添加到队列。消费者进程从列表中移除元素，并处理它们。在这个实现中，元素是简单的整数。队列由一个根节点来代表。添加一个元素到队列，一个生产者进程创建一个新的节点，一个根节点的孩子。
接下来的代码片段对应对象的构造器。对于Barrier对象，它首先调用父类的构造器，SyncPrimitive，SyncPrimitive创建了一个zookeeper对象如果不存在的话。然后验证根节点队列是否存在，如果不存在则创建它。
/**
* Constructor of producer-consumer queue
*
* @param address
* @param name
*/
Queue(String address, String name) {
super(address);
this.root = name;
// Create ZK node name
if (zk != null) {
try {
Stat s = zk.exists(root, false);
if (s == null) {
zk.create(root, new byte[0], Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT);
}
} catch (KeeperException e) {
System.out
.println("Keeper exception when instantiating queue: "
+ e.toString());
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Interrupted exception");
}
}
}
一个生产者进程调用produce()来添加一个元素到队列，同时传递一个整数作为参数。添加一个元素到队列，使用create()方法创建一个新节点，同时使用SEQUENCE标志来指示ZooKeeper来添加添加一个值到根节点关联的sequencer计数器。使用这种方式，我们对队列元素的顺序进行排序。因此保证了最老的队列元素是下一个被消费的。
/**
* Add element to the queue.
*
* @param i
* @return
*/
boolean produce(int i) throws KeeperException, InterruptedException{
ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(4);
byte[] value;
// Add child with value i
b.putInt(i);
value = b.array();
zk.create(root + "/element", value, Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL);
return true;
}
消费一个元素，一个消费者进程获取根节点的所有孩子，读取拥有最小计数器值的节点，同时返回那个元素。注意如果存在冲突，其中一个竞争过程将无法删除节点，删除操作会抛出一个异常。
对getChildren()的调用会返回一个字典序的孩子列表。字典序不必要遵循计数器值的数字顺序，我们需要决定哪个元素是最小的。为了找出哪个节点有最小的计数器值，我们对列表进行遍历，并移除每个节点前面的元素。
/**
* Remove first element from the queue.
*
* @return
* @throws KeeperException
* @throws InterruptedException
*/
int consume() throws KeeperException, InterruptedException{
int retvalue = -1;
Stat stat = null;
// Get the first element available
while (true) {
synchronized (mutex) {
List<String> list = zk.getChildren(root, true);
if (list.size() == 0) {
System.out.println("Going to wait");
mutex.wait();
} else {
Integer min = new Integer(list.get(0).substring(7));
for(String s : list){
Integer tempValue = new Integer(s.substring(7));
//System.out.println("Temporary value: " + tempValue);
if(tempValue < min) min = tempValue;
}
System.out.println("Temporary value: " + root + "/element" + min);
byte[] b = zk.getData(root + "/element" + min,
false, stat);
zk.delete(root + "/element" + min, 0);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(b);
retvalue = buffer.getInt();
return retvalue;
}
}
}
}
}
完整代码列表
SyncPrimitive.Java
import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.KeeperException;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;
import org.apache.zookeeper.ZooDefs.Ids;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
public class SyncPrimitive implements Watcher {
static ZooKeeper zk = null;
static Integer mutex;
String root;
SyncPrimitive(String address) {
if(zk == null){
try {
System.out.println("Starting ZK:");
zk = new ZooKeeper(address, 3000, this);
mutex = new Integer(-1);
System.out.println("Finished starting ZK: " + zk);
} catch (IOException e) {
System.out.println(e.toString());
zk = null;
}
}
//else mutex = new Integer(-1);
}
synchronized public void process(WatchedEvent event) {
synchronized (mutex) {
//System.out.println("Process: " + event.getType());
mutex.notify();
}
}
/**
* Barrier
*/
static public class Barrier extends SyncPrimitive {
int size;
String name;
/**
* Barrier constructor
*
* @param address
* @param root
* @param size
*/
Barrier(String address, String root, int size) {
super(address);
this.root = root;
this.size = size;
// Create barrier node
if (zk != null) {
try {
Stat s = zk.exists(root, false);
if (s == null) {
zk.create(root, new byte[0], Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT);
}
} catch (KeeperException e) {
System.out
.println("Keeper exception when instantiating queue: "
+ e.toString());
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Interrupted exception");
}
}
// My node name
try {
name = new String(InetAddress.getLocalHost().getCanonicalHostName().toString());
} catch (UnknownHostException e) {
System.out.println(e.toString());
}
}
/**
* Join barrier
*
* @return
* @throws KeeperException
* @throws InterruptedException
*/
boolean enter() throws KeeperException, InterruptedException{
zk.create(root + "/" + name, new byte[0], Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
while (true) {
synchronized (mutex) {
List<String> list = zk.getChildren(root, true);
if (list.size() < size) {
mutex.wait();
} else {
return true;
}
}
}
}
/**
* Wait until all reach barrier
*
* @return
* @throws KeeperException
* @throws InterruptedException
*/
boolean leave() throws KeeperException, InterruptedException{
zk.delete(root + "/" + name, 0);
while (true) {
synchronized (mutex) {
List<String> list = zk.getChildren(root, true);
if (list.size() > 0) {
mutex.wait();
} else {
return true;
}
}
}
}
}
/**
* Producer-Consumer queue
*/
static public class Queue extends SyncPrimitive {
/**
* Constructor of producer-consumer queue
*
* @param address
* @param name
*/
Queue(String address, String name) {
super(address);
this.root = name;
// Create ZK node name
if (zk != null) {
try {
Stat s = zk.exists(root, false);
if (s == null) {
zk.create(root, new byte[0], Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT);
}
} catch (KeeperException e) {
System.out
.println("Keeper exception when instantiating queue: "
+ e.toString());
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Interrupted exception");
}
}
}
/**
* Add element to the queue.
*
* @param i
* @return
*/
boolean produce(int i) throws KeeperException, InterruptedException{
ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(4);
byte[] value;
// Add child with value i
b.putInt(i);
value = b.array();
zk.create(root + "/element", value, Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL);
return true;
}
/**
* Remove first element from the queue.
*
* @return
* @throws KeeperException
* @throws InterruptedException
*/
int consume() throws KeeperException, InterruptedException{
int retvalue = -1;
Stat stat = null;
// Get the first element available
while (true) {
synchronized (mutex) {
List<String> list = zk.getChildren(root, true);
if (list.size() == 0) {
System.out.println("Going to wait");
mutex.wait();
} else {
Integer min = new Integer(list.get(0).substring(7));
for(String s : list){
Integer tempValue = new Integer(s.substring(7));
//System.out.println("Temporary value: " + tempValue);
if(tempValue < min) min = tempValue;
}
System.out.println("Temporary value: " + root + "/element" + min);
byte[] b = zk.getData(root + "/element" + min,
false, stat);
zk.delete(root + "/element" + min, 0);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(b);
retvalue = buffer.getInt();
return retvalue;
}
}
}
}
}
public static void main(String args[]) {
if (args[0].equals("qTest"))
queueTest(args);
else
barrierTest(args);
}
public static void queueTest(String args[]) {
Queue q = new Queue(args[1], "/app1");
System.out.println("Input: " + args[1]);
int i;
Integer max = new Integer(args[2]);
if (args[3].equals("p")) {
System.out.println("Producer");
for (i = 0; i < max; i++)
try{
q.produce(10 + i);
} catch (KeeperException e){
} catch (InterruptedException e){
}
} else {
System.out.println("Consumer");
for (i = 0; i < max; i++) {
try{
int r = q.consume();
System.out.println("Item: " + r);
} catch (KeeperException e){
i--;
} catch (InterruptedException e){
}
}
}
}
public static void barrierTest(String args[]) {
Barrier b = new Barrier(args[1], "/b1", new Integer(args[2]));
try{
boolean flag = b.enter();
System.out.println("Entered barrier: " + args[2]);
if(!flag) System.out.println("Error when entering the barrier");
} catch (KeeperException e){
} catch (InterruptedException e){
}
// Generate random integer
Random rand = new Random();
int r = rand.nextInt(100);
// Loop for rand iterations
for (int i = 0; i < r; i++) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
}
}
try{
b.leave();
} catch (KeeperException e){
} catch (InterruptedException e){
}
System.out.println("Left barrier");
}
}