zookeeper工作原理、安装配置、工具命令简介

1、Zookeeper简介

Zookeeper 是分布式服务框架，主要是用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题，如：统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理等等。

2、zookeeper基本概念

2.1 角色

Zookeeper中的角色主要有以下三类，如下表所示：

系统模型如图所示：

2.2设计目的

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。

3. zookeeper工作原理

Zookeeper的核心是广播，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。

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

3.3.1 Leader工作流程

Leader主要有三个功能：

1. 恢复数据；

2. 维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；

3. Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根据不同的消息类型，进行不同的处理。

PING 消息是指Learner的心跳信息；REQUEST消息是Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求；ACK消息是Follower的对提议 的回复，超过半数的Follower通过，则commit该提议；REVALIDATE消息是用来延长SESSION有效时间。

Leader的工作流程简图如下所示:

3.3.2 Follower工作流程

Follower主要有四个功能：

1. 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；

2. 接收Leader消息并进行处理；

3. 接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；

4. 返回Client结果。

Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：

1. PING消息： 心跳消息；

2. PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；

3. COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；

4. UPTODATE消息：表明同步完成；

5. REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；

6. SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。

Follower的工作流程简图如下所示：

4、zookeeper安装配置

ZooKeeper的安装模式分为三种，分别为：单机模式（stand-alone）、集群模式和集群伪分布模式。

4.1 单机模式

下载zookeeper的安装包之后，解压到合适目录。进入zookeeper目录下的conf子目录，创建zoo.cfg：

tickTime=2000
dataDir=/Users/apple/zookeeper/data
dataLogDir=/Users/apple/zookeeper/logs
clientPort=4180

参数说明:
tickTime：这个时间是作为 Zookeeper 服务器之间或客户端与服务器之间维持心跳的时间间隔，也就是每个 tickTime 时间就会发送一个心跳。zookeeper中使用的基本时间单位，毫秒值。

dataDir：数据目录，可以是任意目录。

dataLogDir：log目录，同样可以是任意目录。如果没有设置该参数，将使用和dataDir相同的设置。

clientPort：监听client连接的端口号

4.2 伪集群模式

所谓伪集群，是指在单台机器中启动多个zookeeper进程，并组成一个集群。以启动3个zookeeper进程为例。

将zookeeper的目录拷贝2份：

zookeeper0/conf/zoo.cfg文件为：

tickTime=2000
initLimit=5
syncLimit=2
dataDir=/Users/apple/zookeeper0/data
dataLogDir=/Users/apple/zookeeper0/logs
clientPort=4180
server.0=127.0.0.1:8880:7770
server.1=127.0.0.1:8881:7771
server.2=127.0.0.1:8882:7772

新增了几个参数, 其含义如下：

1 initLimit: zookeeper集群中的包含多台server，其中一台为leader，集群中其余的server为follower。initLimit参数配置初始化连接时，follower和leader之间的最长心跳时间。此时该参数设置为5，说明时间限制为5倍tickTime，即5*2000=10000ms=10s。

2 syncLimit：该参数配置leader和follower之间发送消息，请求和应答的最大时间长度。此时该参数设置为2，说明时间限制为2倍tickTime，即4000ms。

3 server.X=A:B:C 其中X是一个数字，表示这是第几号server。A是该server所在的IP地址。B配置该server和集群中的leader交换消息所使用的端口。C配置选举leader时所使用的端口。由于配置的是伪集群模式，所以各个server的B，C参数必须不同。
参照zookeeper0/conf/zoo.cfg, 配置zookeeper1/conf/zoo.cfg, 和zookeeper2/conf/zoo.cfg文件. 只需更改dataDir, dataLogDir, clientPort参数即可。

在之前设置的dataDir中新建myid文件，写入一个数字，该数字表示这是第几号server。该数字必须和zoo.cfg文件中的server.X中的X一一对应。

/Users/apple/zookeeper0/data/myid文件中写入0，/Users/apple/zookeeper1/data/myid文件中写入1，/Users/apple/zookeeper2/data/myid文件中写入2。

分别进入/Users/apple/zookeeper0/bin，/Users/apple/zookeeper1/bin，/Users/apple/zookeeper2/bin三个目录，启动server。

4.3 集群模式

集群模式的配置和伪集群基本一致。

由于集群模式下，各server部署在不同的机器上，因此各server的conf/zoo.cfg文件可以完全一样。

下面是一个示例：

tickTime=2000
initLimit=5
syncLimit=2
dataDir=/home/zookeeper/data
dataLogDir=/home/zookeeper/logs
clientPort=4180
server.43=10.1.39.43:2888:3888
server.47=10.1.39.47:2888:3888
server.48=10.1.39.48:2888:3888

示例中部署了3台zookeeper server，分别部署在10.1.39.43，10.1.39.47，10.1.39.48上。需要注意的是，各server的dataDir目录下的myid文件中的数字必须不同，10.1.39.43 server的myid为43，10.1.39.47 server的myid为47，10.1.39.48 server的myid为48。

5、zookeeper常用命令

ZooKeeper服务命令：

1. 启动ZK服务: ./zkServer.sh start

2. 查看ZK服务状态: ./zkServer.sh status

3. 停止ZK服务: ./zkServer.sh stop

4. 重启ZK服务: ./zkServer.sh restart

zk客户端命令：

ZooKeeper 命令行工具类似于Linux的shell环境，使用它可以对ZooKeeper进行访问，数据创建，数据修改等操作。使用 zkCli.sh -server 127.0.0.1:2181 连接到 ZooKeeper 服务，连接成功后，系统会输出 ZooKeeper 的相关环境以及配置信息。

命令行工具的一些简单操作如下：

1. 显示根目录下、文件：ls / 使用 ls 命令来查看当前 ZooKeeper 中所包含的内容

2. 显示根目录下、文件： ls2 / 查看当前节点数据并能看到更新次数等数据

3. 创建文件，并设置初始内容：create /zk“test”创建一个新的 znode节点“ zk ”以及与它关联的字符串

4. 获取文件内容： get /zk 确认 znode 是否包含我们所创建的字符串

5. 修改文件内容： set /zk "zkbak" 对 zk 所关联的字符串进行设置

6. 删除文件： delete /zk 将刚才创建的 znode 删除

7. 退出客户端： quit

8. 帮助命令： help

ZooKeeper 常用四字命令：

ZooKeeper 支持某些特定的四字命令字母与其的交互。它们大多是查询命令，用来获取 ZooKeeper 服务的当前状态及相关信息。用户在客户端可以通过 telnet 或 nc 向 ZooKeeper 提交相应的命令

1. 可以通过命令：echo stat|nc 127.0.0.1 2181 来查看哪个节点被选择作为follower或者leader

2. 使用echo ruok|nc 127.0.0.1 2181，测试是否启动了该Server，若回复imok表示已经启动。

3. echo dump| nc 127.0.0.1 2181，列出未经处理的会话和临时节点。

4. echo kill | nc 127.0.0.1 2181，关掉server

5. echo conf | nc 127.0.0.1 2181，输出相关服务配置的详细信息。

6. echo cons | nc 127.0.0.1 2181，列出所有连接到服务器的客户端的完全的连接 / 会话的详细信息。

7. echo envi |nc 127.0.0.1 2181，输出关于服务环境的详细信息（区别于 conf 命令）。

8. echo reqs | nc 127.0.0.1 2181，列出未经处理的请求。

9. echo wchs | nc 127.0.0.1 2181，列出服务器 watch 的详细信息。

10. echo wchc | nc 127.0.0.1 2181，通过 session 列出服务器 watch 的详细信息，它的输出是一个与 watch 相关的会话的列表。

11. echo wchp | nc 127.0.0.1 2181，通过路径列出服务器 watch 的详细信息。它输出一个与 session 相关的路径。

本文转自：http://www.cnblogs.com/kunpengit/p/4045334.html

参考：http://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-zookeeper/