ZooKeeper

                                                                 注：此篇文章轉自鄔興亮

一、分散式協調技術

在給大家介紹ZooKeeper之前先來給大家介紹一種技術——分散式協調技術。那麼什麼是分散式協調技術？那麼我來告訴大家，其實分散式協調技術 主要用來解決分散式環境當中多個程式之間的同步控制，讓他們有序的去訪問某種臨界資源，防止造成"髒資料"的後果。這時，有人可能會說這個簡單，寫一個調 度演算法就輕鬆解決了。說這句話的人，可能對分散式系統不是很瞭解，所以才會出現這種誤解。如果這些程式全部是跑在一臺機上的話，相對來說確實就好辦了，問 題就在於他是在一個分散式的環境下，這時問題又來了，那什麼是分散式呢？這 個一兩句話我也說不清楚，但我給大家畫了一張圖希望能幫助大家理解這方面的內 容，如果覺得不對儘可拍磚，來我們們看一下這張圖，如圖1.1所示。

圖 1.1 分散式系統圖

 

 

給大家分析一下這張圖，在這圖中有三臺機器，每臺機器各跑一個應用程式。然後我們將這三臺機器通過網路將其連線起來，構成一個系統來為使用者提供服務，對使用者來說這個系統的架構是透明的，他感覺不到我這個系統是一個什麼樣的架構。那麼我們就可以把這種系統稱作一個分散式系統。

那我們接下來再分析一下，在這個分散式系統中如何對程式進行排程，我假設在第一臺機器上掛載了一個資源，然後這三個物理分佈的程式都要競爭這個資源，但我們又不希望他們同時進行訪問，這時候我們就需要一個協調器，來讓他們有序的來訪問這個資源。這個協調器就是我們經常提到的那個鎖，比如說"程式-1"在使用該資源的時候，會先去獲得鎖，"程式1"獲得鎖以後會對該資源保持獨佔，這樣其他程式就無法訪問該資源，"程式1"用完該資源以後就將鎖釋放掉，讓其他程式來獲得鎖，那麼通過這個鎖機制，我們就能保證了分散式系統中多個程式能夠有序的訪問該臨界資源。那麼我們把這個分散式環境下的這個鎖叫作分散式鎖。這個分散式鎖也就是我們分散式協調技術實現的核心內容，那麼如何實現這個分散式呢，那就是我們後面要講的內容。

二、分散式鎖的實現

好我們知道，為了防止分散式系統中的多個程式之間相互干擾，我們需要一種分散式協調技術來對這些程式進行排程。而這個分散式協調技術的核心就是來實現這個分布式鎖。那麼這個鎖怎麼實現呢？這實現起來確實相對來說比較困難的。

1.1 面臨的問題

在看了圖1.1所示的分散式環境之後，有人可能會感覺這不是很難。無非是將原來在同一臺機器上對程式排程的原語，通過網路實現在分散式環境中。是的，表面上是可以這麼說。但是問題就在網路這，在分散式系統中，所有在同一臺機器上的假設都不存在：因為網路是不可靠的。

比如，在同一臺機器上，你對一個服務的呼叫如果成功，那就是成功，如果呼叫失敗，比如丟擲異常那就是呼叫失敗。但是在分散式環境中，由於網路的不可 靠，你對一個服務的呼叫失敗了並不表示一定是失敗的，可能是執行成功了，但是響應返回的時候失敗了。還有，A和B都去呼叫C服務，在時間上 A還先呼叫一些，B後呼叫，那麼最後的結果是不是一定A的請求就先於B到達呢？ 這些在同一臺機器上的種種假設，我們都要重新思考，我們還要思考這些問題給我們的設計和編碼帶來了哪些影響。還有，在分散式環境中為了提升可靠性，我們往 往會部署多套服務，但是如何在多套服務中達到一致性，這在同一臺機器上多個程式之間的同步相對來說比較容易辦到，但在分散式環境中確實一個大難題。

所以分散式協調遠比在同一臺機器上對多個程式的排程要難得多，而且如果為每一個分散式應用都開發一個獨立的協調程式。一方面，協調程式的反覆編寫浪 費，且難以形成通用、伸縮性好的協調器。另一方面，協調程式開銷比較大，會影響系統原有的效能。所以，急需一種高可靠、高可用的通用協調機制來用以協調分 布式應用。

1.2 分散式鎖的實現者

目前，在分散式協調技術方面做得比較好的就是Google的Chubby還有Apache的ZooKeeper他們都是分散式鎖的實現者。有人會問 既然有了Chubby為什麼還要弄一個ZooKeeper，難道Chubby做得不夠好嗎？不是這樣的，主要是Chbby是非開源的，Google自家 用。後來雅虎模仿Chubby開發出了ZooKeeper，也實現了類似的分散式鎖的功能，並且將ZooKeeper作為一種開源的程式捐獻給了 Apache，那麼這樣就可以使用ZooKeeper所提供鎖服務。而且在分散式領域久經考驗，它的可靠性，可用性都是經過理論和實踐的驗證的。所以我們 在構建一些分散式系統的時候，就可以以這類系統為起點來構建我們的系統，這將節省不少成本，而且bug也 將更少。

三、ZooKeeper概述

ZooKeeper是一種為分散式應用所設計的高可用、高效能且一致的開源協調服務，它提供了一項基本服務：分散式鎖服務。由於ZooKeeper的開源特性，後來我們的開發者在分散式鎖的基礎上，摸索了出了其他的使用方法：配置維護、組服務、分散式訊息佇列、分散式通知/協調等。

注意：ZooKeeper效能上的特點決定了它能夠用在大型的、分散式的系統當中。從可靠性方面來說，它並不會因為一個節點的錯誤而崩潰。除此之外，它嚴格的序列訪問控制意味著複雜的控制原語可以應用在客戶端上。ZooKeeper在一致性、可用性、容錯性的保證，也是ZooKeeper的成功之處，它獲得的一切成功都與它採用的協議——Zab協議是密不可分的，這些內容將會在後面介紹。

前面提到了那麼多的服務，比如分散式鎖、配置維護、組服務等，那它們是如何實現的呢，我相信這才是大家關心的東西。ZooKeeper在實現這些服務時，首先它設計一種新的資料結構——Znode，然後在該資料結構的基礎上定義了一些原語，也就是一些關於該資料結構的一些操作。有了這些資料結構和原語還不夠，因為我們的ZooKeeper是工作在一個分散式的環境下，我們的服務是通過訊息以網路的形式傳送給我們的分散式應用程式，所以還需要一個通知機制——Watcher機制。那麼總結一下，ZooKeeper所提供的服務主要是通過：資料結構+原語+watcher機制，三個部分來實現的。那麼我就從這三個方面，給大家介紹一下ZooKeeper。

四、ZooKeeper資料模型

4.1 ZooKeeper資料模型Znode

ZooKeeper擁有一個層次的名稱空間，這個和標準的檔案系統非常相似，如下圖3.1 所示。

圖4.1 ZooKeeper資料模型與檔案系統目錄樹

 

從圖中我們可以看出ZooKeeper的資料模型，在結構上和標準檔案系統的非常相似，都是採用這種樹形層次結構，ZooKeeper樹中的每個節點被稱為—Znode。和檔案系統的目錄樹一樣，ZooKeeper樹中的每個節點可以擁有子節點。但也有不同之處：

(1) 引用方式

Zonde通過路徑引用，如同Unix中的檔案路徑。路徑必須是絕對的，因此他們必須由斜槓字元來開頭。除此以外，他們必須是唯一的，也就是說每一個路徑只有一個表示，因此這些路徑不能改變。在ZooKeeper中，路徑由Unicode字串組成，並且有一些限制。字串"/zookeeper"用以儲存管理資訊，比如關鍵配額資訊。

(2) Znode結構

ZooKeeper名稱空間中的Znode，兼具檔案和目錄兩種特點。既像檔案一樣維護著資料、元資訊、ACL、時間戳等資料結構，又像目錄一樣可以作為路徑標識的一部分。圖中的每個節點稱為一個Znode。 每個Znode由3部分組成:

① stat：此為狀態資訊, 描述該Znode的版本, 許可權等資訊

② data：與該Znode關聯的資料

③ children：該Znode下的子節點

ZooKeeper雖然可以關聯一些資料，但並沒有被設計為常規的資料庫或者大資料儲存，相反的是，它用來管理排程資料，比如分散式應用中的配置檔案資訊、狀態資訊、彙集位置等等。這些資料的共同特性就是它們都是很小的資料，通常以KB為大小單位。ZooKeeper的伺服器和客戶端都被設計為嚴格檢查並限制每個Znode的資料大小至多1M，但常規使用中應該遠小於此值。

(3) 資料訪問

ZooKeeper中的每個節點儲存的資料要被原子性的操作。也就是說讀操作將獲取與節點相關的所有資料，寫操作也將替換掉節點的所有資料。另外，每一個節點都擁有自己的ACL(訪問控制列表)，這個列表規定了使用者的許可權，即限定了特定使用者對目標節點可以執行的操作。

(4) 節點型別

ZooKeeper中的節點有兩種，分別為臨時節點和永久節點。節點的型別在建立時即被確定，並且不能改變。

① 臨時節點：該節點的生命週期依賴於建立它們的會話。一旦會話(Session)結束，臨時節點將被自動刪除，當然可以也可以手動刪除。雖然每個臨時的Znode都會繫結到一個客戶端會話，但他們對所有的客戶端還是可見的。另外，ZooKeeper的臨時節點不允許擁有子節點。

② 永久節點：該節點的生命週期不依賴於會話，並且只有在客戶端顯示執行刪除操作的時候，他們才能被刪除。

(5) 順序節點

當建立Znode的時候，使用者可以請求在ZooKeeper的路徑結尾新增一個遞增的計數。這個計數對於此節點的父節點來說是唯一的，它的格式為"%10d"(10位數字，沒有數值的數位用0補充，例如"0000000001")。當計數值大於2³²-1時，計數器將溢位。

(6) 觀察

客戶端可以在節點上設定watch，我們稱之為監視器。當節點狀態發生改變時(Znode的增、刪、改)將會觸發watch所對應的操作。當watch被觸發時，ZooKeeper將會向客戶端傳送且僅傳送一條通知，因為watch只能被觸發一次，這樣可以減少網路流量。

4.2 ZooKeeper中的時間

ZooKeeper有多種記錄時間的形式，其中包含以下幾個主要屬性：

(1) Zxid

致使ZooKeeper節點狀態改變的每一個操作都將使節點接收到一個Zxid格式的時間戳，並且這個時間戳全域性有序。也就是說，也就是說，每個對 節點的改變都將產生一個唯一的Zxid。如果Zxid1的值小於Zxid2的值，那麼Zxid1所對應的事件發生在Zxid2所對應的事件之前。實際 上，ZooKeeper的每個節點維護者三個Zxid值，為別為：cZxid、mZxid、pZxid。

① cZxid： 是節點的建立時間所對應的Zxid格式時間戳。
② mZxid：是節點的修改時間所對應的Zxid格式時間戳。

實現中Zxid是一個64為的數字，它高32位是epoch用來標識leader關係是否改變，每次一個leader被選出來，它都會有一個 新的epoch。低32位是個遞增計數。 (2) 版本號

對節點的每一個操作都將致使這個節點的版本號增加。每個節點維護著三個版本號，他們分別為：

① version：節點資料版本號
② cversion：子節點版本號
③ aversion：節點所擁有的ACL版本號

4.3 ZooKeeper節點屬性

通過前面的介紹，我們可以瞭解到，一個節點自身擁有表示其狀態的許多重要屬性，如下圖所示。

圖 4.2 Znode節點屬性結構

 

五、ZooKeeper服務中操作

在ZooKeeper中有9個基本操作，如下圖所示：

圖 5.1 ZooKeeper類方法描述

更新ZooKeeper操作是有限制的。delete或setData必須明確要更新的Znode的版本號，我們可以呼叫exists找到。如果版本號不匹配，更新將會失敗。

更新ZooKeeper操作是非阻塞式的。因此客戶端如果失去了一個更新(由於另一個程式在同時更新這個Znode)，他可以在不阻塞其他程式執行的情況下，選擇重新嘗試或進行其他操作。

儘管ZooKeeper可以被看做是一個檔案系統，但是處於便利，摒棄了一些檔案系統地操作原語。因為檔案非常的小並且使整體讀寫的，所以不需要開啟、關閉或是尋地的操作。

六、Watch觸發器

(1) watch概述

ZooKeeper可以為所有的讀操作設定watch，這些讀操作包括：exists()、getChildren()及getData()。watch事件是一次性的觸發器，當watch的物件狀態發生改變時，將會觸發此物件上watch所對應的事件。watch事件將被非同步地傳送給客戶端，並且ZooKeeper為watch機制提供了有序的一致性保證。理論上，客戶端接收watch事件的時間要快於其看到watch物件狀態變化的時間。

(2) watch型別

ZooKeeper所管理的watch可以分為兩類：

① 資料watch(data  watches)：getData和exists負責設定資料watch
② 孩子watch(child watches)：getChildren負責設定孩子watch

我們可以通過操作返回的資料來設定不同的watch：

① getData和exists：返回關於節點的資料資訊
② getChildren：返回孩子列表

因此

① 一個成功的setData操作將觸發Znode的資料watch

② 一個成功的create操作將觸發Znode的資料watch以及孩子watch

③ 一個成功的delete操作將觸發Znode的資料watch以及孩子watch

(3) watch註冊與處觸發

圖 6.1 watch設定操作及相應的觸發器如圖下圖所示：

 

① exists操作上的watch，在被監視的Znode建立、刪除或資料更新時被觸發。
② getData操作上的watch，在被監視的Znode刪除或資料更新時被觸發。在被建立時不能被觸發，因為只有Znode一定存在，getData操作才會成功。
③ getChildren操作上的watch，在被監視的Znode的子節點建立或刪除，或是這個Znode自身被刪除時被觸發。可以通過檢視watch事件型別來區分是Znode，還是他的子節點被刪除：NodeDelete表示Znode被刪除，NodeDeletedChanged表示子節點被刪除。

Watch由客戶端所連線的ZooKeeper伺服器在本地維護，因此watch可以非常容易地設定、管理和分派。當客戶端連線到一個新的伺服器 時，任何的會話事件都將可能觸發watch。另外，當從伺服器斷開連線的時候，watch將不會被接收。但是，當一個客戶端重新建立連線的時候，任何先前 註冊過的watch都會被重新註冊。

(4) 需要注意的幾點

Zookeeper的watch實際上要處理兩類事件：

① 連線狀態事件(type=None, path=null)

這類事件不需要註冊，也不需要我們連續觸發，我們只要處理就行了。

② 節點事件

節點的建立，刪除，資料的修改。它是one time trigger，我們需要不停的註冊觸發，還可能發生事件丟失的情況。

上面2類事件都在Watch中處理，也就是過載的process(Event event)

節點事件的觸發，通過函式exists，getData或getChildren來處理這類函式，有雙重作用：

① 註冊觸發事件

② 函式本身的功能

函式的本身的功能又可以用非同步的回撥函式來實現,過載processResult()過程中處理函式本身的的功能。

七、ZooKeeper應用舉例　

為了方便大家理解ZooKeeper，在此就給大家舉個例子，看看ZooKeeper是如何實現的他的服務的，我以ZooKeeper提供的基本服務分散式鎖為例。

7.1 分散式鎖應用場景

在分散式鎖服務中，有一種最典型應用場景，就是通過對叢集進行Master選舉，來解決分散式系統中的單點故障。什麼是分散式系統中的單點故障：通常分散式系統採用主從模式，就是一個主控機連線多個處理節點。主節點負責分發任務，從節點負責處理任務，當我們的主節點發生故障時，那麼整個系統就都癱瘓了，那麼我們把這種故障叫作單點故障。如下圖7.1和7.2所示：

圖 7.1 主從模式分散式系統               圖7.2 單點故障

 

 

     

7.2 傳統解決方案

傳統方式是採用一個備用節點，這個備用節點定期給當前主節點傳送ping包，主節點收到ping包以後向備用節點傳送回復Ack，當備用節點收到回覆的時候就會認為當前主節點還活著，讓他繼續提供服務。如圖7.3所示：

圖 7.3 傳統解決方案

 

當主節點掛了，這時候備用節點收不到回覆了，然後他就認為主節點掛了接替他成為主節點如下圖7.4所示：

圖 7.4傳統解決方案

 

但是這種方式就是有一個隱患，就是網路問題，來看一網路問題會造成什麼後果，如下圖7.5所示：

圖 7.5 網路故障

也就是說我們的主節點的並沒有掛，只是在回覆的時候網路發生故障，這樣我們的備用節點同樣收不到回覆，就會認為主節點掛了，然後備用節點將他的Master例項啟動起來，這樣我們的分散式系統當中就有了兩個主節點也就是---雙Master， 出現Master以後我們的從節點就會將它所做的事一部分彙報給了主節點，一部分彙報給了從節點，這樣服務就全亂了。為了防止出現這種情況，我們引入了 ZooKeeper，它雖然不能避免網路故障，但它能夠保證每時每刻只有一個Master。我麼來看一下ZooKeeper是如何實現的。

7.3 ZooKeeper解決方案

(1) Master啟動

在引入了Zookeeper以後我們啟動了兩個主節點，"主節點-A"和"主節點-B"他們啟動以後，都向ZooKeeper去註冊一個節點。我們 假設"主節點-A"鎖註冊地節點是"master-00001"，"主節點-B"註冊的節點是"master-00002"，註冊完以後進行選舉，編號最 小的節點將在選舉中獲勝獲得鎖成為主節點，也就是我們的"主節點-A"將會獲得鎖成為主節點，然後"主節點-B"將被阻塞成為一個備用節點。那麼，通過這 種方式就完成了對兩個Master程式的排程。

圖7.6 ZooKeeper Master選舉

 

(2) Master故障

如果"主節點-A"掛了，這時候他所註冊的節點將被自動刪除，ZooKeeper會自動感知節點的變化，然後再次發出選舉，這時候"主節點-B"將在選舉中獲勝，替代"主節點-A"成為主節點。

圖7.7 ZooKeeper Master選舉

 

(3) Master 恢復

圖7.8 ZooKeeper Master選舉

 

如果主節點恢復了，他會再次向ZooKeeper註冊一個節點，這時候他註冊的節點將會是"master-00003"，ZooKeeper會感知節點的變化再次發動選舉，這時候"主節點-B"在選舉中會再次獲勝繼續擔任"主節點"，"主節點-A"會擔任備用節點。