Zookeeper（二）Zookeeper原理与API应用

一 Zookeeper概述

1.1 概述

Zookeeper是Google的Chubby一个开源的实现。它是一个针对大型分布式系统的可靠协调系统，提供的功能包括：配置维护、名字服务、 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。

1.2 特点

1）Zookeeper：一个领导者（leader），多个跟随者（follower）组成的集群。

2）Leader负责进行投票的发起和决议，更新系统状态

3）Follower用于接收客户请求并向客户端返回结果，在选举Leader过程中参与投票

4）集群中只要有半数以上节点存活，Zookeeper集群就能正常服务。

5）全局数据一致：每个server保存一份相同的数据副本，client无论连接到哪个server，数据都是一致的。

6）更新请求顺序进行，来自同一个client的更新请求按其发送顺序依次执行。

7）数据更新原子性，一次数据更新要么成功，要么失败。

8）实时性，在一定时间范围内，client能读到最新数据。

1.3 数据结构

ZooKeeper数据模型的结构与Unix文件系统很类似，整体上可以看作是一棵树，每个节点称做一个ZNode。每一个ZNode默认能够存储1MB的数据，每个ZNode都可以通过其路径唯一标识

1.4 应用场景

提供的服务包括：统一命名服务、统一配置管理、统一集群管理、服务器节点动态上下线、软负载均衡等。

二 Zookeeper内部原理

2.1 选举机制

1）半数机制：集群中半数以上机器存活，集群可用。所以zookeeper适合装在奇数台机器上。

2）Zookeeper虽然在配置文件中并没有指定master和slave。但是，zookeeper工作时，是有一个节点为leader，其他则为follower，Leader是通过内部的选举机制临时产生的

3）以一个简单的例子来说明整个选举的过程。

假设有五台服务器组成的zookeeper集群，它们的id从1-5，同时它们都是最新启动的，也就是没有历史数据，在存放数据量这一点上，都是一样的。假设这些服务器依序启动，来看看会发生什么。

（1）服务器1启动，此时只有它一台服务器启动了，它发出去的报没有任何响应，所以它的选举状态一直是LOOKING状态。

（2）服务器2启动，它与最开始启动的服务器1进行通信，互相交换自己的选举结果，由于两者都没有历史数据，所以id值较大的服务器2胜出，但是由于没有达到超过半数以上的服务器都同意选举它(这个例子中的半数以上是3)，所以服务器1、2还是继续保持LOOKING状态。

（3）服务器3启动，根据前面的理论分析，服务器3成为服务器1、2、3中的老大，而与上面不同的是，此时有三台服务器选举了它，所以它成为了这次选举的leader。

（4）服务器4启动，根据前面的分析，理论上服务器4应该是服务器1、2、3、4中最大的，但是由于前面已经有半数以上的服务器选举了服务器3，所以它只能接收当小弟的命了。

（5）服务器5启动，同4一样当小弟。

2.2 节点类型

1）Znode有两种类型：

短暂（ephemeral）：客户端和服务器端断开连接后，创建的节点自己删除

持久（persistent）：客户端和服务器端断开连接后，创建的节点不删除

2）Znode有四种形式的目录节点（默认是persistent ）

（1）持久化目录节点（PERSISTENT）

客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在

（2）持久化顺序编号目录节点（PERSISTENT_SEQUENTIAL）

客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号

（3）临时目录节点（EPHEMERAL）

客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除

（4）临时顺序编号目录节点（EPHEMERAL_SEQUENTIAL）

客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号

3）创建znode时设置顺序标识，znode名称后会附加一个值，顺序号是一个单调递增的计数器，由父节点维护

4）在分布式系统中，顺序号可以被用于为所有的事件进行全局排序，这样客户端可以通过顺序号推断事件的顺序

2.3 stat结构体

1）czxid- 引起这个znode创建的zxid，创建节点的事务的zxid

每次修改ZooKeeper状态都会收到一个zxid形式的时间戳，也就是ZooKeeper事务ID。

事务ID是ZooKeeper中所有修改总的次序。每个修改都有唯一的zxid，如果zxid1小于zxid2，那么zxid1在zxid2之前发生。

2）ctime - znode被创建的毫秒数(从1970年开始)

3）mzxid - znode最后更新的zxid

4）mtime - znode最后修改的毫秒数(从1970年开始)

5）pZxid-znode最后更新的子节点zxid

6）cversion - znode子节点变化号，znode子节点修改次数

7）dataversion - znode数据变化号

8）aclVersion - znode访问控制列表的变化号

9）ephemeralOwner- 如果是临时节点，这个是znode拥有者的session id。如果不是临时节点则是0。

10）dataLength- znode的数据长度

11）numChildren - znode子节点数量

2.4 监听器原理

2.5 写数据流程

二 API应用

3.1 eclipse环境搭建

1）创建一个工程

2）解压zookeeper-3.4.12.tar.gz文件

3）拷贝zookeeper-3.4.12.jar、jline-0.9.94.jar、log4j-1.2.16.jar、netty-3.10.5.Final.jar、slf4j-api-1.6.1.jar、slf4j-log4j12-1.6.1.jar到工程的lib目录。并build一下，导入工程。

4）拷贝log4j.properties文件到项目根目录

log4j.rootLogger=INFO, stdout
log4j.appender.stdout=org.apache.log4j.ConsoleAppender
log4j.appender.stdout.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
log4j.appender.stdout.layout.ConversionPattern=%d %p [%c] - %m%n
log4j.appender.logfile=org.apache.log4j.FileAppender
log4j.appender.logfile.File=target/spring.log
log4j.appender.logfile.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
log4j.appender.logfile.layout.ConversionPattern=%d %p [%c] - %m%n  

3.2 创建ZooKeeper客户端：

private static String connectString = "node21:2181,node22:2181,node23:2181";
private static int sessionTimeout = ;
private ZooKeeper zkClient = null;

@Before
public void init() throws Exception {
      zkClient = new ZooKeeper(connectString, sessionTimeout, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent event) {
      // 收到事件通知后的回调函数（用户的业务逻辑）
      System.out.println(event.getType() + "--" + event.getPath());
      }
   });
}

3.3 创建子节点

// 创建子节点
@Test
public void create() throws Exception {
// 数据的增删改查
// 参数1：要创建的节点的路径； 参数2：节点数据 ； 参数3：节点权限 ；参数4：节点的类型
String nodeCreated = zkClient.create("/eclipse", "hello zk".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
}

3.4 获取子节点

// 获取子节点
@Test
public void getChildren() throws Exception {
       List<String> children = zkClient.getChildren("/", true);
       for (String child : children) {
              System.out.println(child);
       }
       // 延时阻塞
       Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
   }

3.5 判断znode是否存在

// 判断znode是否存在
@Test
public void exist() throws Exception {
       Stat stat = zkClient.exists("/eclipse", false);
       System.out.println(stat == null ? "not exist" : "exist");
}

四 Zookeeper实战

4.1 监听服务器节点动态上下线

1）需求：某分布式系统中，主节点可以有多台，可以动态上下线，任意一台客户端都能实时感知到主节点服务器的上下线

2）需求分析

3）具体实现：

（0）现在集群上创建/servers节点

[zk: localhost:(CONNECTED) ] create /servers "servers"
Created /servers

（1）服务器端代码

package com.xyg.zkcase;

import java.io.IOException;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;
import org.apache.zookeeper.ZooDefs.Ids;

public class DistributeServer {
private static String connectString = "node21:2181,node22:2181,node23:2181";
private static int sessionTimeout = ;
private ZooKeeper zk = null;
private String parentNode = "/servers";

// 创建到zk的客户端连接
public void getConnect() throws IOException{

        zk = new ZooKeeper(connectString, sessionTimeout, new Watcher() {

@Override
public void process(WatchedEvent event) {
}
       });
}

// 注册服务器
public void registServer(String hostname) throws Exception{
String create = zk.create(parentNode + "/server", hostname.getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        System.out.println(hostname +" is online "+ create);

}

// 业务功能
public void business(String hostname) throws Exception{

       System.out.println(hostname+" is working ...");
       Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
// 获取zk连接
DistributeServer server = new DistributeServer();
server.getConnect();
// 利用zk连接注册服务器信息
server.registServer(args[]);
// 启动业务功能
server.business(args[]);
 }
}

（2）客户端代码

package com.xyg.zkcase;

import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;

public class DistributeClient {
private static String connectString = "hadoop102:2181,hadoop103:2181,hadoop104:2181";
private static int sessionTimeout = ;
private ZooKeeper zk = null;
private String parentNode = "/servers";

// 创建到zk的客户端连接
public void getConnect() throws IOException {
      zk = new ZooKeeper(connectString, sessionTimeout, new Watcher() {

@Override
public void process(WatchedEvent event) {
      // 再次启动监听
      try {
          getServerList();
          } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
          }
      }
   });
}
//
public void getServerList() throws Exception {

    // 获取服务器子节点信息，并且对父节点进行监听
    List<String> children = zk.getChildren(parentNode, true);
    ArrayList<String> servers = new ArrayList<>();
    for (String child : children) {
    byte[] data = zk.getData(parentNode + "/" + child, false, null);
    servers.add(new String(data));
}
// 把servers赋值给成员serverList，已提供给各业务线程使用
     serversList = servers;
     System.out.println(serversList);
}
// 业务功能
public void business() throws Exception {
       System.out.println("client is working ...");
}
public static void main(String[] args) throws Exception {

// 获取zk连接
DistributeClient client = new DistributeClient();
client.getConnect();
// 获取servers的子节点信息，从中获取服务器信息列表
client.getServerList();
// 业务进程启动
client.business();
}
}