Zookeeper概念介绍

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Zookeeper简介

概念

Zookeeper最早起源于雅虎研究院的一个研究小组。在当时，研究人员发现，在雅虎内部很多大型系统基本都需要依赖一个类似的系统来进行分布式协调，但是这些系统往往都存在分布式单点问题。所以，雅虎的开发人员就试图开发一个通用的无单点问题的分布式协调框架，以便让开发人员将精力集中在处理业务逻辑上。 后来，Apache ZooKeeper成为Hadoop，HBase和其他分布式框架使用的有组织服务的标准。 例如，Apache HBase使用ZooKeeper跟踪分布式数据的状态。ZooKeeper 的设计目标是将那些复杂且容易出错的分布式一致性服务封装起来，构成一个高效可靠的原语集，并以一系列简单易用的接口提供给用户使用。

名字由来

Zookeeper名字的由来是比较有趣的，下面的片段摘抄自《从PAXOS到ZOOKEEPER分布式一致性原理与实践》一书：

Zookeeper最早起源于雅虎的研究院的一个研究小组。在立项初期，考虑到很多项目都是用动物的名字来命名的(例如著名的Pig项目)，雅虎的工程师希望给这个项目也取一个动物的名字。时任研究院的首席科学家Raghu Ramakrishnan开玩笑说：再这样下去，我们这儿就变成动物园了。此话一出，大家纷纷表示就叫动物园管理员吧——因为各个以动物命名的分布式组件放在一起，雅虎的整个分布式系统看上去就像一个大型的动物园了，而Zookeeper正好用来进行分布式环境的协调——于是，Zookeeper的名字由此诞生了。

Curator无疑是Zookeeper客户端中的瑞士军刀，它译作”馆长”或者’’管理者’’，不知道是不是开发小组有意而为之，笔者猜测有可能这样命名的原因是说明Curator就是Zookeeper的馆长(脑洞有点大：Curator就是动物园的园长)。

应用场景

ZooKeeper 是一个典型的分布式数据一致性解决方案，分布式应用程序可以基于 ZooKeeper 实现诸如数据发布/订阅、负载均衡、命名服务、分布式协调/通知、集群管理、Master 选举、分布式锁和分布式队列等功能。

ZooKeeper的一些概念

会话（Session）

Session 指的是 ZooKeeper 服务器与客户端会话。在 ZooKeeper 中，一个客户端连接是指客户端和服务器之间的一个 TCP长连接。客户端启动的时候，首先会与服务器建立一个 TCP 连接，从第一次连接建立开始，客户端会话的生命周期也开始了。

通过这个连接，客户端能够通过心跳检测与服务器保持有效的会话，也能够向Zookeeper服务器发送请求并接受响应，同时还能够通过该连接接收来自服务器的Watch事件通知。

Session的sessionTimeout值用来设置一个客户端会话的超时时间。当由于服务器压力太大、网络故障或是客户端主动断开连接等各种原因导致客户端连接断开时，只要在sessionTimeout规定的时间内能够重新连接上集群中任意一台服务器，那么之前创建的会话仍然有效。

在为客户端创建会话之前，服务端首先会为每个客户端都分配一个sessionID。由于 sessionID 是 Zookeeper 会话的一个重要标识，许多与会话相关的运行机制都是基于这个 sessionID 的，因此，无论是哪台服务器为客户端分配的 sessionID，都务必保证全局唯一。

Znode

在谈到分布式的时候，我们通常说的“节点”是指组成集群的每一台机器。然而，在Zookeeper中，“节点”分为两类，第一类同样是指构成集群的机器，我们称之为机器节点；第二类则是指数据模型中的数据单元，我们称之为数据节点一一ZNode。

Zookeeper将所有数据存储在内存中，数据模型是一棵树（Znode Tree)，由斜杠（/）的进行分割的路径，就是一个Znode，例如/foo/path1。每个上都会保存自己的数据内容，同时还会保存一系列属性信息。

在Zookeeper中，node可以分为持久节点和临时节点两类。所谓持久节点是指一旦这个ZNode被创建了，除非主动进行ZNode的移除操作，否则这个ZNode将一直保存在Zookeeper上。而临时节点就不一样了，它的生命周期和客户端会话绑定，一旦客户端会话失效，那么这个客户端创建的所有临时节点都会被移除。

另外，ZooKeeper还允许用户为每个节点添加一个特殊的属性：SEQUENTIAL。 一旦节点被标记上这个属性，那么在这个节点被创建的时候，Zookeeper会自动在其节点名后面追加上一个整型数字，这个整型数字是一个由父节点维护的自增数字。

版本

Zookeeper 的每个 ZNode 上都会存储数据，对应于每个ZNode，Zookeeper 都会为其维护一个叫作 Stat 的数据结构，Stat中记录了这个 ZNode 的三个数据版本，分别是：

  • version（当前ZNode数据内容的版本号）
  • cversion（当前ZNode子节点的版本号
  • aversion（当前ZNode的ACL变更版本号）

特别说明：

  1. ZK 中版本就是修改次数：即使修改前后，内容不变，但版本仍会+1： version=0 表示节点创建之后，修改的次数为 0。
  2. cversion 子节点列表：ZNode，其中 cversion 只会感知子节点列表变更信息，新增子节点、删除子节点，而不会感知子节点数据内容的变更。
  3. 目标：解决 ZNode 的并发更新问题，实现 CAS（Compare And Switch）乐观锁。

Watcher

Watcher（事件监听器），是Zookeeper中的一个很重要的特性。Zookeeper允许用户在指定节点上注册一些Watcher，并且在一些特定事件触发的时候，ZooKeeper服务端会将事件通知到感兴趣的客户端上去，该机制是Zookeeper实现分布式协调服务的重要特性。

ACL

Zookeeper采用ACL（Access-Control-Lists）策略来进行权限控制，类似于 UNIX 文件系统的权限控制。Zookeeper 定义了如下5种权限。

  • CREATE: 能创建子节点
  • READ：能获取节点数据和列出其子节点
  • WRITE: 能设置节点数据
  • DELETE: 能删除子节点
  • ADMIN: 能设置ACL权限

其中尤其需要注意的是，CREATE和DELETE这两种权限都是针对子节点的权限控制.

重要概念总结

  • ZooKeeper 本身就是一个分布式程序（只要半数以上节点存活，ZooKeeper 就能正常服务）。

  • 为了保证高可用，最好是以集群形态来部署 ZooKeeper，这样只要集群中大部分机器是可用的（能够容忍一定的机器故障），那么 ZooKeeper 本身仍然是可用的。

  • ZooKeeper 将数据保存在内存中，这也就保证了 高吞吐量和低延迟（但是内存限制了能够存储的容量不太大，此限制也是保持znode中存储的数据量较小的进一步原因）。

  • ZooKeeper 是高性能的。 在“读”多于“写”的应用程序中尤其地高性能，因为“写”会导致所有的服务器间同步状态。（“读”多于“写”是协调服务的典型场景。）

  • ZooKeeper有临时节点的概念。 当创建临时节点的客户端会话一直保持活动，瞬时节点就一直存在。而当会话终结时，瞬时节点被删除。持久节点是指一旦这个ZNode被创建了，除非主动进行ZNode的移除操作，否则这个ZNode将一直保存在Zookeeper上。

  • ZooKeeper 底层其实只提供了两个功能：①管理（存储、读取）用户程序提交的数据；②为用户程序提交数据节点监听服务。

Zookeeper特性

  • 节点类型：

    • 临时节点：客户端和服务端之间的Session过期之后节点会自动消失。

    • 持久节点：创建节点之后，节点就会一直存在，除非手动删除。

    • 临时顺序节点：拥有临时节点的特性，同时会根据创建的顺序给节点添加一个编号（编号作为节点名字的一部分）。

    • 持久顺序节点：拥有持久节点的特性，同时会根据创建的顺序给节点添加一个编号（编号作为节点名字的一部分）。

    • 原子性： 所有事务请求的处理结果在整个集群中所有机器上的应用情况是一致的，也就是说，要么整个集群中所有的机器都成功应用了某一个事务，要么都没有应用。

  • 单一系统映像： 无论客户端连到哪一个 ZooKeeper 服务器上，其看到的服务端数据模型都是一致的。

  • 可靠性： 一旦一次更改请求被应用，更改的结果就会被持久化，直到被下一次更改覆盖。

  • Watcher机制：节点数据变更注册时，在该节点的Watcher都会被通知。子节点列表变化注册该节点的Watcher也会被通知。

  • 多个客户端同时创建一个节点，保证只有一个客户端可以创建成功。

  • 对于有N台服务器组成的集群，保证有小于等于（N/2）-1 台服务器不能提供服务时，集群的数据仍然保持完整。

ZooKeeper 设计目标

简单的数据模型

ZooKeeper 允许分布式进程通过共享的层次结构命名空间进行相互协调，这与标准文件系统类似。 名称空间由 ZooKeeper 中的数据寄存器组成 - 称为znode，这些类似于文件和目录。 与为存储设计的典型文件系统不同，ZooKeeper数据保存在内存中，这意味着ZooKeeper可以实现高吞吐量和低延迟。

可构建集群

为了保证高可用，最好是以集群形态来部署 ZooKeeper，这样只要集群中大部分机器是可用的（能够容忍一定的机器故障），那么zookeeper本身仍然是可用的。 客户端在使用 ZooKeeper 时，需要知道集群机器列表，通过与集群中的某一台机器建立 TCP 连接来使用服务，客户端使用这个TCP链接来发送请求、获取结果、获取监听事件以及发送心跳包。如果这个连接异常断开了，客户端可以连接到另外的机器上。

ZooKeeper 官方提供的架构图：

上图中每一个Server代表一个安装Zookeeper服务的服务器。组成 ZooKeeper 服务的服务器都会在内存中维护当前的服务器状态，并且每台服务器之间都互相保持着通信。集群间通过 Zab 协议（Zookeeper Atomic Broadcast）来保持数据的一致性。

顺序访问

对于来自客户端的每个更新请求，ZooKeeper 都会分配一个全局唯一的递增编号，这个编号反应了所有事务操作的先后顺序，应用程序可以使用 ZooKeeper 这个特性来实现更高层次的同步原语。 这个编号也叫做时间戳——zxid（Zookeeper Transaction Id）

ZooKeeper 集群角色介绍

最典型集群模式： Master/Slave 模式（主备模式）。在这种模式中，通常 Master服务器作为主服务器提供写服务，其他的 Slave 服务器从服务器通过异步复制的方式获取 Master 服务器最新的数据提供读服务。

但是，在 ZooKeeper 中没有选择传统的 Master/Slave 概念，而是引入了Leader、Follower 和 Observer 三种角色。如下图所示

  • ZooKeeper 集群中的所有机器通过一个 Leader 选举过程来选定一台称为 “Leader” 的机器，Leader 既可以为客户端提供写服务又能提供读服务。
  • 除了 Leader 外，Follower 和 Observer 都只能提供读服务。
  • Follower 和 Observer 唯一的区别在于 Observer 机器不参与 Leader 的选举过程，也不参与写操作的“过半写成功”策略，因此 Observer 机器可以在不影响写性能的情况下提升集群的读性能。

zookeeper集群角色