Zookeeper分布式过程协同技术 - 概念及基础

Zookeeper是什么？

Zookeeper是一种分布式过程协同技术，其所提供的客户端API功能强大，其中包括：
保障强一致性。有序性和持久性。
实现通用的同步原语的能力。
在实际分布式系统中，并发往往导致不正确的行为。Zookeeper提供了一种简单的并发处理机制。

关于Zookeeper名字的来源

Zookeeper由雅虎研究院开发，开发团队原来想使用动物命名项目，在讨论时大家觉得分布式系统就像一个动物园，胡乱且难以管理，而Zookeeper就是将这一切变得可控。遂起名为Zookeeper，意为动物园管理员。

Zookeeper使用场景

命名服务

命名服务是指通过路径名称来获取服务的地址。首先zookeeper创建一个全局路径，服务方在全局路径下写入服务的地址（或者名称），服务消费方在启动后watch全局路径的数据和变化。注意，这里的节点均为临时节点，在服务连接中断或者宕机时，通过临时节点消失能够通知订阅方感知变化。

配置管理

服务分布部署在不同的机器上，将全局的配置信息存放于zookeeper的节点下，客户端通过订阅节点的数据变化获取到配置信息。当节点中的配置信息发生变化时，客户端可以通过watch节点发送的消息感知，从而修改服务本地的配置管理信息。

集群管理

当有新机器加入集群时，由新机器的客户端在指定的目录下新建临时节点，服务注册管理端通过订阅指定目录的变化，收到了新增节点的通知后，将新机器加入集群服务的列表。当机器退出集群或者宕机时，临时节点将会被删除，同样可以通知服务注册管理端，有机器退出了集群。

分布式锁

zookeeper的分布式锁可以分为2种，保持独占或者控制时序。

对于保持独占来说，可以把一个节点看做是一把锁，通过创建节点的方式来抢占锁资源。如果创建节点成功，客户端也就持有了这把锁，如果创建失败，则订阅节点的变化，如果收到节点删除消息，再次尝试创建节点来抢占锁资源。

对于控制时序来说，通过在指定目录下创建临时有序节点，编号最小的节点首先持有锁资源，每个后续节点都订阅前一个节点。拥有锁资源的客户端在操作完毕后，删除自己创建的节点。后续节点收到前置节点的删除通知后，即获取了锁资源，可以进行业务操作。

Zookeeper基础

Zookeeper通过节点（znode）来实现原语的功能，并不直接暴露原语。Znode指Zookeeper操作和维护一个小型的数据节点，类似于文件系统的层级树状结构进行管理。

图：Zookeeper数据结构示例

· /作为跟目录节点，根节点下有/workers和/tasks两个字节点。

· /workers节点作为父节点，其下的每一个znode子节点用于保存系统中的可用worker，节点中保存着worker子节点的元数据信息。

· /tasks节点作为父节点，其下每个znode子节点用于保存一个代执行的任务，节点中保存着任务的详细数据。

API概念

ZookeeperAPI提供了以下方法来实现地znode的控制。

create /path data

　　创建一个名为/path的znode节点，并包含数据data。

delete /path

　　删除名为/path的znode。

exists /path

　　检查是否存在名为/path的节点。

setData /path data

　　设置名为/path的znode节点的数据为data。

getData /path

　　返回名为/path节点的数据信息。

getChildren /path

　　返回所有/path节点的所有子节点列表。

Znode类型

在新建znode时，需要指定该节点类型，不同的类型决定了znode节点的行为方式，Zookeeper提供了4种不同的znode类型。

持久节点和临时节点

znode节点可以是持久（persistent）节点，还可以是临时（ephemeral）节点。持久的znode，如/path，只能通过delete来进行删除。临时的znode与之相反，当创建的客户端崩溃或者关闭了与Zookeeper的连接时，这个节点就会被删除。

持久znode是一种非常有用的znode，可以通过持久类型znode为应用保存一些数据，即使znode的创建者不再属于应用系统时，数据也可以保存下来而不丢失。例如，在主-从模式中，需要保存从节点的任务分配情况，即使分配任务的主节点已经崩溃了。

一个临时znode，在以下两种情况会被删除：

当创建该znode的客户端的会话因超时或主动关闭而中止时。
当某个客户端（不一定是创建者）主动删除该节点时。

注：因为临时的znode在其创建者的会话过期时被删除，所以我们现在不允许临时节点拥有子节点。

有序节点

一个有序znode节点被分配唯一一个单调递增的整数。当创建有序节点时，一个序号会被追加到路径之后。例如，客户端创建一个有序znode节点，其路径为/tasks/task-,那么该znode节点为/tasks/task-1。有序znode通过提供了创建具有唯一名称的znode的简单方式。同时也通过这种方式可以直观地查看znode的创建顺序。

Znode一共有四种：持久节点、临时节点、持久有序节点，临时有序节点。

监视与通知

Zookeeper提供基于通知的机制提供对节点的监视能力。客户端向Zookeeper注册需要接收通知的znode，通过对znode的设置监视点（watch）来接收通知。监视点是一个单次触发的操作，每次设置只会触发一次。为了接收多个通知，客户端必须在每次通知后设置新的监视点。在设置新监视点前客户端会先读取znode中的数据，所以不同担心会错过状态的变化。

Zookeeper可以定义不同类型的通知，如监控znode的数据变化、监控znode子节点的变化、监控znode的创建或删除。