大數(shù)據(jù)入門 | Zookeeper的工作原理

來源：奇酷教育發(fā)表于：2019-03-29 10:08:18

1 Zookeeper是什么？ZooKeeper是一個分布式的，開放源碼的分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù)，是Google的Chubby一個開源的實(shí)現(xiàn)，它是集群的管理者，監(jiān)

1.Zookeeper是什么？

ZooKeeper是一個分布式的，開放源碼的分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù)，是Google的Chubby一個開源的實(shí)現(xiàn)，它是集群的管理者，監(jiān)視著集群中各個節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)根據(jù)節(jié)點(diǎn)提交的反饋進(jìn)行下一步合理操作。最終，將簡單易用的接口和性能高效、功能穩(wěn)定的系統(tǒng)提供給用戶。

2.Zookeeper提供了什么？

1)文件系統(tǒng)

2)通知機(jī)制

3.Zookeeper文件系統(tǒng)

每個子目錄項(xiàng)如 NameService 都被稱作為znode，和文件系統(tǒng)一樣，我們能夠自由的增加、刪除znode，在一個znode下增加、刪除子znode，唯一的不同在于znode是可以存儲數(shù)據(jù)的。

有四種類型的znode：

1、PERSISTENT-持久化目錄節(jié)點(diǎn)

客戶端與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點(diǎn)依舊存在

2、PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化順序編號目錄節(jié)點(diǎn)

客戶端與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點(diǎn)依舊存在，只是Zookeeper給該節(jié)點(diǎn)名稱進(jìn)行順序編號

3、EPHEMERAL-臨時目錄節(jié)點(diǎn)

客戶端與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點(diǎn)被刪除

4、EPHEMERAL_SEQUENTIAL-臨時順序編號目錄節(jié)點(diǎn)

客戶端與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點(diǎn)被刪除，只是Zookeeper給該節(jié)點(diǎn)名稱進(jìn)行順序編號

4.Zookeeper通知機(jī)制

客戶端注冊監(jiān)聽它關(guān)心的目錄節(jié)點(diǎn)，當(dāng)目錄節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化（數(shù)據(jù)改變、被刪除、子目錄節(jié)點(diǎn)增加刪除）時，zookeeper會通知客戶端。

5.Zookeeper做了什么？

1.命名服務(wù) 2.配置管理 3.集群管理 4.分布式鎖 5.隊(duì)列管理

6.Zookeeper命名服務(wù)

在zookeeper的文件系統(tǒng)里創(chuàng)建一個目錄，即有唯一的path。在我們使用tborg無法確定上游程序的部署機(jī)器時即可與下游程序約定好path，通過path即能互相探索發(fā)現(xiàn)。

7.Zookeeper的配置管理

程序總是需要配置的，如果程序分散部署在多臺機(jī)器上，要逐個改變配置就變得困難。現(xiàn)在把這些配置全部放到zookeeper上去，保存在 Zookeeper 的某個目錄節(jié)點(diǎn)中，然后所有相關(guān)應(yīng)用程序?qū)@個目錄節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)聽，一旦配置信息發(fā)生變化，每個應(yīng)用程序就會收到 Zookeeper 的通知，然后從 Zookeeper 獲取新的配置信息應(yīng)用到系統(tǒng)中就好。

8.Zookeeper集群管理

所謂集群管理無在乎兩點(diǎn)：是否有機(jī)器退出和加入、選舉master。

對于第一點(diǎn)，所有機(jī)器約定在父目錄GroupMembers下創(chuàng)建臨時目錄節(jié)點(diǎn)，然后監(jiān)聽父目錄節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)變化消息。一旦有機(jī)器掛掉，該機(jī)器與 zookeeper的連接斷開，其所創(chuàng)建的臨時目錄節(jié)點(diǎn)被刪除，所有其他機(jī)器都收到通知：某個兄弟目錄被刪除，于是，所有人都知道：它上船了。

新機(jī)器加入也是類似，所有機(jī)器收到通知：新兄弟目錄加入，highcount又有了，對于第二點(diǎn)，我們稍微改變一下，所有機(jī)器創(chuàng)建臨時順序編號目錄節(jié)點(diǎn)，每次選取編號最小的機(jī)器作為master就好。

9.Zookeeper分布式鎖

有了zookeeper的一致性文件系統(tǒng)，鎖的問題變得容易。鎖服務(wù)可以分為兩類，一個是保持獨(dú)占，另一個是控制時序。

對于第一類，我們將zookeeper上的一個znode看作是一把鎖，通過createznode的方式來實(shí)現(xiàn)。所有客戶端都去創(chuàng)建 /distribute_lock 節(jié)點(diǎn)，最終成功創(chuàng)建的那個客戶端也即擁有了這把鎖。用完刪除掉自己創(chuàng)建的distribute_lock 節(jié)點(diǎn)就釋放出鎖。

對于第二類， /distribute_lock 已經(jīng)預(yù)先存在，所有客戶端在它下面創(chuàng)建臨時順序編號目錄節(jié)點(diǎn)，和選master一樣，編號最小的獲得鎖，用完刪除，依次方便。

10.Zookeeper隊(duì)列管理

兩種類型的隊(duì)列：

1、同步隊(duì)列，當(dāng)一個隊(duì)列的成員都聚齊時，這個隊(duì)列才可用，否則一直等待所有成員到達(dá)。

2、隊(duì)列按照 FIFO 方式進(jìn)行入隊(duì)和出隊(duì)操作。

第一類，在約定目錄下創(chuàng)建臨時目錄節(jié)點(diǎn)，監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)數(shù)目是否是我們要求的數(shù)目。

第二類，和分布式鎖服務(wù)中的控制時序場景基本原理一致，入列有編號，出列按編號。

11.分布式與數(shù)據(jù)復(fù)制

Zookeeper作為一個集群提供一致的數(shù)據(jù)服務(wù)，自然，它要在所有機(jī)器間做數(shù)據(jù)復(fù)制。數(shù)據(jù)復(fù)制的好處：

1、容錯：一個節(jié)點(diǎn)出錯，不致于讓整個系統(tǒng)停止工作，別的節(jié)點(diǎn)可以接管它的工作；

2、提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力：把負(fù)載分布到多個節(jié)點(diǎn)上，或者增加節(jié)點(diǎn)來提高系統(tǒng)的負(fù)載能力；

3、提高性能：讓客戶端本地訪問就近的節(jié)點(diǎn)，提高用戶訪問速度。

從客戶端讀寫訪問的透明度來看，數(shù)據(jù)復(fù)制集群系統(tǒng)分下面兩種：

1、寫主(WriteMaster) ：對數(shù)據(jù)的修改提交給指定的節(jié)點(diǎn)。讀無此限制，可以讀取任何一個節(jié)點(diǎn)。這種情況下客戶端需要對讀與寫進(jìn)行區(qū)別，俗稱讀寫分離；

2、寫任意(Write Any)：對數(shù)據(jù)的修改可提交給任意的節(jié)點(diǎn)，跟讀一樣。這種情況下，客戶端對集群節(jié)點(diǎn)的角色與變化透明。

對zookeeper來說，它采用的方式是寫任意。通過增加機(jī)器，它的讀吞吐能力和響應(yīng)能力擴(kuò)展性非常好，而寫，隨著機(jī)器的增多吞吐能力肯定下降（這也是它建立observer的原因），而響應(yīng)能力則取決于具體實(shí)現(xiàn)方式，是延遲復(fù)制保持最終一致性，還是立即復(fù)制快速響應(yīng)。

12.Zookeeper角色描述

13.Zookeeper與客戶端

14.Zookeeper設(shè)計(jì)目的

1.最終一致性：client不論連接到哪個Server，展示給它都是同一個視圖，這是zookeeper最重要的性能。

2.可靠性：具有簡單、健壯、良好的性能，如果消息被到一臺服務(wù)器接受，那么它將被所有的服務(wù)器接受。

3.實(shí)時性：Zookeeper保證客戶端將在一個時間間隔范圍內(nèi)獲得服務(wù)器的更新信息，或者服務(wù)器失效的信息。但由于網(wǎng)絡(luò)延時等原因，Zookeeper不能保證兩個客戶端能同時得到剛更新的數(shù)據(jù)，如果需要最新數(shù)據(jù)，應(yīng)該在讀數(shù)據(jù)之前調(diào)用sync()接口。

4.等待無關(guān)（wait-free）：慢的或者失效的client不得干預(yù)快速的client的請求，使得每個client都能有效的等待。

5.原子性：更新只能成功或者失敗，沒有中間狀態(tài)。

6.順序性：包括全局有序和偏序兩種：全局有序是指如果在一臺服務(wù)器上消息a在消息b前發(fā)布，則在所有Server上消息a都將在消息b前被發(fā)布；偏序是指如果一個消息b在消息a后被同一個發(fā)送者發(fā)布，a必將排在b前面。

15.Zookeeper工作原理

Zookeeper 的核心是原子廣播，這個機(jī)制保證了各個Server之間的同步。實(shí)現(xiàn)這個機(jī)制的協(xié)議叫做Zab協(xié)議。Zab協(xié)議有兩種模式，它們分別是恢復(fù)模式（選主）和廣播模式（同步）。當(dāng)服務(wù)啟動或者在領(lǐng)導(dǎo)者崩潰后，Zab就進(jìn)入了恢復(fù)模式，當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者被選舉出來，且大多數(shù)Server完成了和 leader的狀態(tài)同步以后，恢復(fù)模式就結(jié)束了。狀態(tài)同步保證了leader和Server具有相同的系統(tǒng)狀態(tài)。

為了保證事務(wù)的順序一致性，zookeeper采用了遞增的事務(wù)id號（zxid）來標(biāo)識事務(wù)。所有的提議（proposal）都在被提出的時候加上了zxid。實(shí)現(xiàn)中zxid是一個64位的數(shù)字，它高32位是epoch用來標(biāo)識leader關(guān)系是否改變，每次一個leader被選出來，它都會有一個新的epoch，標(biāo)識當(dāng)前屬于那個leader的統(tǒng)治時期。低32位用于遞增計(jì)數(shù)。

16.Zookeeper下Server工作狀態(tài)

每個Server在工作過程中有三種狀態(tài)：

LOOKING：當(dāng)前Server不知道leader是誰，正在搜尋

LEADING：當(dāng)前Server即為選舉出來的leader

FOLLOWING：leader已經(jīng)選舉出來，當(dāng)前Server與之同步

17.Zookeeper選主流程baiscpaxos

當(dāng)leader崩潰或者leader失去大多數(shù)的follower，這時候zk進(jìn)入恢復(fù)模式，恢復(fù)模式需要重新選舉出一個新的leader，讓所有的Server都恢復(fù)到一個正確的狀態(tài)。Zk的選舉算法有兩種：一種是基于basic paxos實(shí)現(xiàn)的，另外一種是基于fast paxos算法實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)默認(rèn)的選舉算法為fast paxos。

1.選舉線程由當(dāng)前Server發(fā)起選舉的線程擔(dān)任，其主要功能是對投票結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并選出推薦的Server；

2.選舉線程首先向所有Server發(fā)起一次詢問(包括自己)；

3.選舉線程收到回復(fù)后，驗(yàn)證是否是自己發(fā)起的詢問(驗(yàn)證zxid是否一致)，然后獲取對方的id(myid)，并存儲到當(dāng)前詢問對象列表中，最后獲取對方提議的leader相關(guān)信息(id,zxid)，并將這些信息存儲到當(dāng)次選舉的投票記錄表中；

4.收到所有Server回復(fù)以后，就計(jì)算出zxid最大的那個Server，并將這個Server相關(guān)信息設(shè)置成下一次要投票的Server；

5.線程將當(dāng)前zxid最大的Server設(shè)置為當(dāng)前Server要推薦的Leader，如果此時獲勝的Server獲得n/2 + 1的Server票數(shù)，設(shè)置當(dāng)前推薦的leader為獲勝的Server，將根據(jù)獲勝的Server相關(guān)信息設(shè)置自己的狀態(tài)，否則，繼續(xù)這個過程，直到leader被選舉出來。通過流程分析我們可以得出：要使Leader獲得多數(shù)Server的支持，則Server總數(shù)必須是奇數(shù)2n+1，且存活的Server的數(shù)目不得少于n+1. 每個Server啟動后都會重復(fù)以上流程。在恢復(fù)模式下，如果是剛從崩潰狀態(tài)恢復(fù)的或者剛啟動的server還會從磁盤快照中恢復(fù)數(shù)據(jù)和會話信息，zk會記錄事務(wù)日志并定期進(jìn)行快照，方便在恢復(fù)時進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)。選主的具體流程圖所示：

18.Zookeeeper選主流程fastpaxos

fast paxos流程是在選舉過程中，某Server首先向所有Server提議自己要成為leader，當(dāng)其它Server收到提議以后，解決epoch和 zxid的沖突，并接受對方的提議，然后向?qū)Ψ桨l(fā)送接受提議完成的消息，重復(fù)這個流程，最后一定能選舉出Leader。