从Paxos到ZooKeeper-四、ZooKeeper技术内幕

本文将从系统模型、序列化与协议、客户端工作原理、会话、服务端工作原理以及数据存储等方面来揭示ZooKeeper的技术内幕。

一、系统模型

1.1 数据模型

ZooKeeper的视图结构使用了其特有的“数据节点”概念，我们称之为ZNode。ZNode是ZooKeeper中数据的最小单元，每个ZNode上都可以保存数据，同时还可以挂载子节点，因此构成了一个层次化的命名空间，我们称之为树。

1.2 节点特性

我们已知，ZooKeeper的命名空间是由一系列数据节点组成的，我们将对数据节点做详细讲解。

节点类型

在ZooKeeper中，每个数据节点都是有生命周期的，其生命周期的长短取决于数据节点的节点类型。在ZooKeeper中，节点类型可以分为持久节点(PERSISTENT)、临时节点(EPHEMERAL)和顺序节点(SEQUENTIAL)三大类，ju'ti具体在节点创建过程中，通过组合使用，可以生成以下四种组合型节点类型：

• 持久节点(PERSISTENT)

数据节点被创建后，就会一直存在于ZooKeeper服务器上，直到有删除操作来主动清除这个节点。

• 持久顺序节点(PERSISTENT_SEQUENTIAL)

他的基本特性和持久节点是一致的，额外的特性表现在顺序性上。在ZooKeeper中，每个父节点都会为他的第一级子节点维护一份顺序，用于记录下每个子节点创建的先后顺序。基于这个顺序特性，在创建子节点的时候，可以设置这个标记，那么在创建节点过程中，ZooKeeper会自动为给定节点加上一个数字后缀，作为一个新的、完整的节点名。另外需要注意的是，这个数字后缀的上限是整型的最大值。

• 临时节点(EPHEMERAL)

临时节点的生命周期和客户端的会话绑定在一起，也就是说，如果客户端会话失效，那么这个节点就会被自动清理掉。这里提到的客户端会话失效，而非TCP连接断开。

• 临时顺序节点(EPHEMERAL_SEQUENTIAL)

在临时节点基础上，添加了顺序的特性。

状态信息

每个数据节点除了存储了数据内容外，还存储了数据节点本身的一些状态信息。

状态属性	说明
czxid	即Created ZXID，表示该节点被创建时的事务ID
mzxid	即Modified ZXID，表示该节点最后一次被更新时的事务ID
ctime	即Created Time
mtime	即Modified Time
version	数据节点的版本号
cversion	子节点的版本号
aversion	节点的ACL版本号
ephemeralOwner	创建该临时节点的会话的sessionID。如果该节点是持久节点，那么这个属性值为0
dataLength	数据内容长度
numChildren	当前节点的子节点个数
pzxid	表示该节点的子节点列表最后一次被修改时的事务ID。注意，只有子节点列表变更了才会变更pzxid，子节点内容变更不会影响pzxid。

1.3 版本-保证分布式数据原子性操作

ZooKeeper中为数据节点引入了版本的概念，每个数据节点都具有三种类型的版本信息，对数据节点的任何更新操作都会引起版本号的变化。

版本类型	说明
version	当前数据节点数据内容的版本号
cversion	当前数据节点子节点的版本号
aversion	当前数据节点ACL变更版本号

在ZooKeeper中，version属性正是用来实现乐观锁机制中的“写入校验”的。

version = setDataRequest.getVersion();
int currentVersion = nodeRecord.stat.getVersion();
if(version != -1 && version != currentVersion) {
    throw new KeeperException.BadVersionException(path);
}
version = currentVersion + 1;

1.4 Watcher-数据变更的通知

在ZooKeeper中，引入了Watcher机制来实现这种分布式的通知功能。ZooKeeper允许客户端向服务端注册一个Watcher监听，当服务器的一些指定事件出发了这个Watcher，那么就会向指定客户端发送一个事件通知来实现分布式的通知功能。

从图中我们可以看到，ZooKeeper的Watcher机制主要包括ke'hu'duan'xian'c客户端线程、客户端WatcherManager和ZooKeeper服务器三部分。在具体工作流程上，客户端在向ZooKeeper服务器注册Watcher的同时，会将Watcher对象存储在客户端的WatcherManager中。当ZooKeeper服务器端触发Watcher事件后，会向客户端发送通知，客户端线程从WatcherManager中取出对应的Watcher对象来执行回调逻辑。

1.5 ACL--保障数据的安全

提到权限控制，我们首先看看目前应用最广泛的权限控制方式--UGO(User、Group和Others)权限控制机制。简单地讲，UGO就是针对一个文件或目录，对创建者(User)、创建者所在的组(Group)和其他用户(Other)分别配置不同的权限。从这里可以看出，UGO其实是一种粗粒度的文件系统权限控制模式，利用UGO只能对三类用户jin'xing进行权限控制，即文件的创建者、创建者所在的组以及其他所有用户，很显然，UGO无法解决下面这个场景：

用户U1创建了文件F1，希望U1所在的用户组G1拥有对F1读写和执行的权限，另一个用户组G2拥有读权限，而另一个用户U3则没有任何权限。

下面我们来看另外一种典型的权限控制方式：ACL。ACL，即访问控制列表，是一种相对来说比较新颖且更细粒度的权限管理方式。可以针对任何用户和组进行细粒度的权限控制。

ACL介绍

ZooKeeper的ACL权限控制和Unix/Linux操作系统中的ACL有一些区别，读者可以从三个方面来理解ACL机制，分别是：权限模式(Scheme)、授权对象(ID)和权限(Permission)，通常使用“scheme