深入剖析zookeeper原理

一.简介

ZooKeeper是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务，是Google的Chubby一个开源的实现，是Hadoop和Hbase的重要组件。它是一个为分布式应用提供一致性服务的软件，提供的功能包括：配置维护、域名服务、分布式同步、组服务等。
ZooKeeper的目标就是封装好复杂易出错的关键服务，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。

二.基本概念

2.1角色

角色主要有以下三类：

系统模型：

2.2特性

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。

三.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。

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

3.1选主流程

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。先介绍basic paxos流程：

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。选主的具体流程图如下所示：

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。其流程图如下所示：

3.2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。

流程图如下所示：

3.3工作流程

3.3.1leader工作流程

3.3.2Follower工作流程

对于observer的流程不再叙述，observer流程和Follower的唯一不同的地方就是observer不会参加leader发起的投票。

四.主流应用场景

4.1配置管理

集中式的配置管理在应用集群中是非常常见的，一般商业公司内部都会实现一套集中的配置管理中心，应对不同的应用集群对于共享各自配置的需求，并且在配置变更时能够通知到集群中的每一个机器。

Zookeeper很容易实现这种集中式的配置管理，比如将APP1的所有配置配置到/APP1 znode下，APP1所有机器一启动就对/APP1这个节点进行监控(zk.exist("/APP1",true)),并且实现回调方法Watcher，那么在zookeeper上/APP1 znode节点下数据发生变化的时候，每个机器都会收到通知，Watcher方法将会被执行，那么应用再取下数据即可(zk.getData("/APP1",false,null));

以上这个例子只是简单的粗颗粒度配置监控，细颗粒度的数据可以进行分层级监控，这一切都是可以设计和控制的

4.2集群管理

五.zookeeper的安装

5.1单机版

第一步：安装jdk
第二步：把zookeeper的压缩包上传到linux系统。
第三步：解压缩压缩包
tar -zxvf zookeeper-3.4.6.tar.gz
第四步：进入zookeeper-3.4.6目录，创建data文件夹。
第五步：把zoo_sample.cfg改名为zoo.cfg
[root@localhost conf]# mv zoo_sample.cfg zoo.cfg
第六步：修改data属性：dataDir=/root/zookeeper-3.4.6/data
第七步：启动zookeeper
[root@localhost bin]# ./zkServer.sh start
关闭：[root@localhost bin]# ./zkServer.sh stop
查看状态：[root@localhost bin]# ./zkServer.sh status

注意：需要关闭防火墙。

5.2集群版

第一步：需要安装jdk环境。
第二步：把zookeeper的压缩包上传到服务器。
第三步：解压缩。
第四步：把zookeeper复制三份。
[root@localhost ~]# mkdir /usr/local/solr-cloud
[root@localhost ~]# cp -r zookeeper-3.4.6 /usr/local/solr-cloud/zookeeper01
[root@localhost ~]# cp -r zookeeper-3.4.6 /usr/local/solr-cloud/zookeeper02
[root@localhost ~]# cp -r zookeeper-3.4.6 /usr/local/solr-cloud/zookeeper03
第五步：在每个zookeeper目录下创建一个data目录。
第六步：在data目录下创建一个myid文件，文件名就叫做“myid”。内容就是每个实例的id。例如1、2、3
[root@localhost data]# echo 1 >> myid
[root@localhost data]# ll
total 4
-rw-r--r--. 1 root root 2 Apr  7 18:23 myid
[root@localhost data]# cat myid 
1
第七步：修改配置文件。把conf目录下的zoo_sample.cfg文件改名为zoo.cfg

server.1=192.168.25.154:2881:3881
server.2=192.168.25.154:2882:3882
server.3=192.168.25.154:2883:3883

第八步：启动每个zookeeper实例。
启动bin/zkServer.sh start

查看zookeeper的状态：
bin/zkServer.sh status

  
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:dubbo="http://code.alibabatech.com/schema/dubbo"  
    xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans  
        http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd  
        http://code.alibabatech.com/schema/dubbo  
        http://code.alibabatech.com/schema/dubbo/dubbo.xsd  
        ">  
  
      
      
  
      
      
  
      
      
      
      
      
  
      
      
  
      
            ref="demoService" />