分布式协调组件Zookeeper之 选举机制与ZAB协议

Zookeeper简介：

Zookeeper是什么：

　　Zookeeper 是⼀个分布式协调服务的开源框架。 主要⽤来解决分布式集群中应⽤系统的⼀致性问题， 例如怎样避免同时操作同⼀数据造成脏读的问题。分布式系统中数据存在⼀致性的问题！！

• ZooKeeper 本质上是⼀个分布式的⼩⽂件存储系统。 提供基于类似于⽂件系统的⽬录树⽅式的数 据存储，并且可以对树中的节点进⾏有效管理。
• ZooKeeper 提供给客户端监控存储在zk内部数据的功能，从⽽可以达到基于数据的集群管理。 诸 如： 统⼀命名服务(dubbo)、分布式配置管理(solr的配置集中管理)、分布式消息队列 （sub/pub）、分布式锁、分布式协调等功能。

架构组成：

 Leader

• Zookeeper 集群⼯作的核⼼⻆⾊
• 集群内部各个服务器的调度者。
• 事务请求（写操作） 的唯⼀调度和处理者，保证集群事务处理的顺序性；对于 create， setData， delete 等有写操作的请求，则需要统⼀转发给leader 处理， leader 需要决定编号、执 ⾏操作，这个过程称为⼀个事务。

Follower

• 处理客户端⾮事务（读操作） 请求，
• 转发事务请求给 Leader；
• 参与集群 Leader 选举投票 2n-1台可以做集群投票。

此外，针对访问量⽐较⼤的 zookeeper 集群， 还可新增观察者⻆⾊。

Observer

• 观察者⻆⾊，观察 Zookeeper 集群的最新状态变化并将这些状态同步过来，其对于⾮事务请求可 以进⾏独⽴处理，对于事务请求，则会转发给 Leader服务器进⾏处理。
• 不会参与任何形式的投票只提供⾮事务服务，通常⽤于在不影响集群事务处理能⼒的前提下提升集 群的⾮事务处理能⼒。增加了集群增加并发的读请求

ZK也是Master/slave架构，但是与之前不同的是zk集群中的Leader不是指定⽽来，⽽是通过选举产⽣。

Zookeeper 特点：

• 1.Zookeeper：⼀个领导者（leader:⽼⼤），多个跟随者（follower:⼩弟）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(内部原理)
• 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(内部原理)
• 7. 数据更新原⼦性，⼀次数据更新要么成功，要么失败

Zookeeper 节点 之 ZNode 类型：

Zookeeper 节点类型可以分为三⼤类：

• 持久性节点（Persistent）
• 临时性节点（Ephemeral）
• 顺序性节点（Sequential）

在开发中在创建节点的时候通过组合可以⽣成以下四种节点类型：持久节点、持久顺序节点、临时节 点、临时顺序节点。不同类型的节点则会有不同的⽣命周期

持久节点：是Zookeeper中最常⻅的⼀种节点类型，所谓持久节点，就是指节点被创建后会⼀直存在服 务器，直到删除操作主动清除

持久顺序节点：就是有顺序的持久节点，节点特性和持久节点是⼀样的，只是额外特性表现在顺序上。 顺序特性实质是在创建节点的时候，会在节点名后⾯加上⼀个数字后缀，来表示其顺序。

临时节点：就是会被⾃动清理掉的节点，它的⽣命周期和客户端会话绑在⼀起，客户端会话结束，节点 会被删除掉。与持久性节点不同的是，临时节点不能创建⼦节点。

临时顺序节点：就是有顺序的临时节点，和持久顺序节点相同，在其创建的时候会在名字后⾯加上数字 后缀

事务ID：

　　在ZooKeeper中，事务是指能够改变ZooKeeper服务器状态的操作，我们也称之为事务操作或更新 操作，⼀般包括数据节点创建与删除、数据节点内容更新等操作。对于每⼀个事务请求，ZooKeeper都 会为其分配⼀个全局唯⼀的事务ID，⽤ ZXID 来表示，通常是⼀个 64 位的数字。每⼀个 ZXID 对应⼀次 更新操作，从这些ZXID中可以间接地识别出ZooKeeper处理这些更新操作请求的全局顺序 zk中的事务指的是对zk服务器状态改变的操作(create,update data,更新字节点)；zk对这些事务操作都 会编号，这个编号是⾃增⻓的被称为ZXID。

ZNode 的状态信息：

#使⽤bin/zkCli.sh 连接到zk集群
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] get /zookeeper
cZxid = 0x0
ctime = Wed Dec 31 19:00:00 EST 1969
mZxid = 0x0
mtime = Wed Dec 31 19:00:00 EST 1969
pZxid = 0x0
cversion = -1
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 0
numChildren = 1

含义：

 cZxid 就是 Create ZXID，表示节点被创建时的事务ID。
 ctime 就是 Create Time，表示节点创建时间。
 mZxid 就是 Modified ZXID，表示节点最后⼀次被修改时的事务ID。
 mtime 就是 Modified Time，表示节点最后⼀次被修改的时间。
 pZxid 表示该节点的⼦节点列表最后⼀次被修改时的事务 ID。只有⼦节点列表变更才会更新 pZxid，
⼦节点内容变更不会更新。
 cversion 表示⼦节点的版本号。
 dataVersion 表示内容版本号。
 aclVersion 标识acl版本
 ephemeralOwner 表示创建该临时节点时的会话 sessionID，如果是持久性节点那么值为 0
 dataLength 表示数据⻓度。
 numChildren 表示直系⼦节点数。

Watcher 机制：

　　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，当服务端的⼀些指定事件触发了这个 Watcher，那么Zk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。

Zookeeper的Watcher机制主要包括客户端线程、客户端WatcherManager、Zookeeper服务器三部 分。

具体⼯作流程为：

• 客户端在向Zookeeper服务器注册的同时，会将Watcher对象存储在客户端的WatcherManager当 中
• 当Zookeeper服务器触发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

注： 客户端负责watch的注册 和回调，zk服务器负责处理watch。

命令行使用：

　  创建顺序节点：create -s /zk-test 123
　　创建临时节点：create -e /zk-temp 123
　　创建永久节点：create /zk-permanent 123
　　读取节点：ls path   其中，path表示的是指定数据节点的节点路径
　　获取内容：get path
　　更新节点：set path data
　　删除节点： delete path

JAVA 操作Zookeeper：

<dependency>
 <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
 <artifactId>zookeeper</artifactId>
 <version>3.4.14</version>
</dependency>
<dependency>
 <groupId>com.101tec</groupId>
 <artifactId>zkclient</artifactId>
 <version>0.2</version>
 </dependency>

创建会话：

package com.hust.grid.leesf.zkclient.examples;
import java.io.IOException;
import org.I0Itec.zkclient.ZkClient;
public class CreateSession {
/*
 创建⼀个zkClient实例来进⾏连接
 */
 public static void main(String[] args) {
 　　ZkClient zkClient = new ZkClient("127.0.0.1:2181");
　　 System.out.println("ZooKeeper session created.");
 }
}

创建节点：

package com.hust.grid.leesf.zkclient.examples;
import org.I0Itec.zkclient.ZkClient;
public class Create_Node_Sample {
 public static void main(String[] args) {
 ZkClient zkClient = new ZkClient("127.0.0.1:2181");
 System.out.println("ZooKeeper session established.");
 //createParents的值设置为true，可以递归创建节点
 zkClient.createPersistent("/lg-zkClient/lg-c1",true);
 System.out.println("success create znode.");
 }
}

删除节点：

package com.hust.grid.leesf.zkclient.examples;
import org.I0Itec.zkclient.ZkClient;
public class Del_Data_Sample {
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 String path = "/lg-zkClient/lg-c1";
 ZkClient zkClient = new ZkClient("127.0.0.1:2181", 5000);
 zkClient.deleteRecursive(path);
 System.out.println("success delete znode.");
 }
}

监听节点变化：

import org.I0Itec.zkclient.IZkChildListener;
import org.I0Itec.zkclient.ZkClient;
import org.apache.zookeeper.client.ZooKeeperSaslClient;
import java.util.List;
/*
演示zkClient如何使⽤监听器
*/
public class Get_Child_Change {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 //获取到zkClient
 final ZkClient zkClient = new ZkClient("linux121:2181");
 //zkClient对指定⽬录进⾏监听(不存在⽬录:/lg-client)，指定收到通知之后的逻辑
 //对/lag-client注册了监听器，监听器是⼀直监听
 zkClient.subscribeChildChanges("/lg-client", new IZkChildListener() {
 //该⽅法是接收到通知之后的执⾏逻辑定义
 public void handleChildChange(String path, List<String> childs)
throws Exception {
 //打印节点信息
 System.out.println(path + " childs changes ,current childs " +
childs);
 }
 });
 //使⽤zkClient创建节点，删除节点，验证监听器是否运⾏
 zkClient.createPersistent("/lg-client");
 Thread.sleep(1000); //只是为了⽅便观察结果数据
 zkClient.createPersistent("/lg-client/c1");
 Thread.sleep(1000);
 zkClient.delete("/lg-client/c1");
 Thread.sleep(1000);
 zkClient.delete("/lg-client");
 Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
 /*
 1 监听器可以对不存在的⽬录进⾏监听
 2 监听⽬录下⼦节点发⽣改变，可以接收到通知，携带数据有⼦节点列表
 3 监听⽬录创建和删除本身也会被监听到
 */
 }
}

执行结果：

/lg-zkClient 's child changed, currentChilds:[]
/lg-zkClient 's child changed, currentChilds:[c1]
/lg-zkClient 's child changed, currentChilds:[]
/lg-zkClient 's child changed, currentChilds:null

注：

• 客户端可以对⼀个不存在的节点进⾏⼦节点变更的监听。
• ⼀旦客户端对⼀个节点注册了⼦节点列表变更监听之后，那么当该节点的⼦节点列表发⽣变更时，服务 端都会通知客户端，并将最新的⼦节点列表发送给客户端 　
• 该节点本身的创建或删除也会通知到客户端。

监听节点数据变化：

import org.I0Itec.zkclient.IZkDataListener;
import org.I0Itec.zkclient.ZkClient;
//使⽤监听器监听节点数据的变化
public class Get_Data_Change {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 // 获取zkClient对象
 final ZkClient zkClient = new ZkClient("linux121:2181");
 //设置⾃定义的序列化类型,否则会报错！！
 zkClient.setZkSerializer(new ZkStrSerializer());
 //判断节点是否存在，不存在创建节点并赋值
 final boolean exists = zkClient.exists("/lg-client1");
 if (!exists) {
 zkClient.createEphemeral("/lg-client1", "123");
 }
 //注册监听器，节点数据改变的类型，接收通知后的处理逻辑定义
 zkClient.subscribeDataChanges("/lg-client1", new IZkDataListener() {
 public void handleDataChange(String path, Object data) throws
Exception {
 //定义接收通知之后的处理逻辑
 System.out.println(path + " data is changed ,new data " +
data);
 }
 //数据删除--》节点删除
 public void handleDataDeleted(String path) throws Exception {
 System.out.println(path + " is deleted!!");
 }
 });
 //更新节点的数据，删除节点，验证监听器是否正常运⾏
 final Object o = zkClient.readData("/lg-client1");
 System.out.println(o);
 zkClient.writeData("/lg-client1", "new data");
 Thread.sleep(1000);
 //删除节点
 zkClient.delete("/lg-client1");
 Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
 }
}

zk 自定义字符串序列化：

import org.I0Itec.zkclient.exception.ZkMarshallingError;
import org.I0Itec.zkclient.serialize.ZkSerializer;
public class ZkStrSerializer implements ZkSerializer {
 //序列化，数据--》byte[]
 public byte[] serialize(Object o) throws ZkMarshallingError {
　　return String.valueOf(o).getBytes();
 }
 //反序列化，byte[]--->数据
 public Object deserialize(byte[] bytes) throws ZkMarshallingError {
 return new String(bytes);
 }
}

Leader选举：

选举机制：

• 半数机制：集群中半数以上机器存活，集群可⽤。所以Zookeeper适合安装奇数台服务器。
• 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，其它为Follower，Leader是通过内部的选举机制产⽣的。
• 只有当机器减少或集群初次启动才会选举leader。

详细步骤：

• （1）服务器1启动，此时只有它⼀台服务器启动了，它发出去的报⽂没有任何响应，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。 return String.valueOf(o).getBytes(); } //反序列化，byte[]--->数据 public Object deserialize(byte[] bytes) throws ZkMarshallingError { return new String(bytes); } } 123 /lg-client1 data is changed ,new data new data /lg-client1 is deleted!!
• （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4⼀样称为follower

集群首次启动：

　　半数前选myid 最大的机器。

非首次启动：

　　优先选择zxid值⼤的节点称为Leader!!

ZAB⼀致性协议：

　　ZAB 协议是为分布式协调服务 Zookeeper 专⻔设计的⼀种⽀持崩溃恢复和原⼦⼴播协议

原子广播：

　　

具体流程：

总结： 第一步发送提议，如果提议获得半数以上机器的ack，然后发送commit给follower，同时自己commit。

崩溃恢复：

Leader宕机后，被选举的新Leader需要解决的问题：

• ZAB 协议确保那些已经在 Leader 提交的事务最终会被所有服务器提交。
• ZAB 协议确保丢弃那些只在 Leader 提出/复制，但没有提交的事务。

选举算法的关键点：保证选举出的新Leader拥有集群中所有节点最⼤编号(ZXID)的事务!!

总结：leader崩溃，新的leader必须拥有最大的事务id，这样才能保证数据最新。