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大數(shù)據(jù)入門(mén) | Zookeeper的工作原理

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1 Zookeeper是什麼？ZooKeeper是一個(gè)分布式的，開(kāi)放源碼的分布式應(yīng)用程式協(xié)調(diào)服務(wù)，是Google的Chubby一個(gè)開(kāi)源的實(shí)現(xiàn)，它是集群的管理者，監(jiān)

1.Zookeeper是什麼？

ZooKeeper是一個(gè)分布式的，開(kāi)放源碼的分布式應(yīng)用程式協(xié)調(diào)服務(wù)，是Google的Chubby一個(gè)開(kāi)源的實(shí)現(xiàn)，它是集群的管理者，監(jiān)視著集群中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)根據(jù)節(jié)點(diǎn)提交的反饋進(jìn)行下一步合理操作。最終，將簡(jiǎn)單易用的接口和性能高效、功能穩(wěn)定的系統(tǒng)提供給用戶(hù)。

2.Zookeeper提供了什麼？

1)文件系統(tǒng)

2)通知機(jī)制

3.Zookeeper文件系統(tǒng)

每個(gè)子目錄項(xiàng)如 NameService 都被稱(chēng)作為znode，和文件系統(tǒng)一樣，我們能夠自由的增加、刪除znode，在一個(gè)znode下增加、刪除子znode，唯一的不同在於znode是可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。 

有四種類(lèi)型的znode： 

1、PERSISTENT-持久化目錄節(jié)點(diǎn) 

客戶(hù)端與zookeeper斷開(kāi)連接後，該節(jié)點(diǎn)依舊存在 

2、PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化順序編號(hào)目錄節(jié)點(diǎn) 

客戶(hù)端與zookeeper斷開(kāi)連接後，該節(jié)點(diǎn)依舊存在，只是Zookeeper給該節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)進(jìn)行順序編號(hào) 

3、EPHEMERAL-臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn) 

客戶(hù)端與zookeeper斷開(kāi)連接後，該節(jié)點(diǎn)被刪除 

4、EPHEMERAL_SEQUENTIAL-臨時(shí)順序編號(hào)目錄節(jié)點(diǎn) 

客戶(hù)端與zookeeper斷開(kāi)連接後，該節(jié)點(diǎn)被刪除，只是Zookeeper給該節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)進(jìn)行順序編號(hào) 

 

4.Zookeeper通知機(jī)制

客戶(hù)端註冊(cè)監(jiān)聽它關(guān)心的目錄節(jié)點(diǎn)，當(dāng)目錄節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化（數(shù)據(jù)改變、被刪除、子目錄節(jié)點(diǎn)增加刪除）時(shí)，zookeeper會(huì)通知客戶(hù)端。

5.Zookeeper做了什麼？

1.命名服務(wù)  2.配置管理  3.集群管理  4.分布式鎖  5.隊(duì)列管理

6.Zookeeper命名服務(wù)

在zookeeper的文件系統(tǒng)裡創(chuàng)建一個(gè)目錄，即有唯一的path。在我們使用tborg無(wú)法確定上遊程序的部署機(jī)器時(shí)即可與下遊程序約定好path，通過(guò)path即能互相探索發(fā)現(xiàn)。

7.Zookeeper的配置管理

程序總是需要配置的，如果程序分散部署在多臺(tái)機(jī)器上，要逐個(gè)改變配置就變得困難。現(xiàn)在把這些配置全部放到zookeeper上去，保存在 Zookeeper 的某個(gè)目錄節(jié)點(diǎn)中，然後所有相關(guān)應(yīng)用程式對(duì)這個(gè)目錄節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)聽，一旦配置信息發(fā)生變化，每個(gè)應(yīng)用程式就會(huì)收到 Zookeeper 的通知，然後從 Zookeeper 獲取新的配置信息應(yīng)用到系統(tǒng)中就好。

 

8.Zookeeper集群管理

所謂集群管理無(wú)在乎兩(liǎng)點(diǎn)：是否有機(jī)器退出和加入、選舉master。 

對(duì)於第一點(diǎn)，所有機(jī)器約定在父目錄GroupMembers下創(chuàng)建臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn)，然後監(jiān)聽父目錄節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)變化消息。一旦有機(jī)器掛掉，該機(jī)器與 zookeeper的連接斷開(kāi)，其所創(chuàng)建的臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn)被刪除，所有其他機(jī)器都收到通知：某個(gè)兄弟目錄被刪除，於是，所有人都知道：它上船了。

新機(jī)器加入也是類(lèi)似，所有機(jī)器收到通知：新兄弟目錄加入，highcount又有了，對(duì)於第二點(diǎn)，我們稍微改變一下，所有機(jī)器創(chuàng)建臨時(shí)順序編號(hào)目錄節(jié)點(diǎn)，每次選取編號(hào)最小的機(jī)器作為master就好。

 



9.Zookeeper分布式鎖

有了zookeeper的一致性文件系統(tǒng)，鎖的問(wèn)題變得容易。鎖服務(wù)可以分為兩(liǎng)類(lèi)，一個(gè)是保持獨(dú)佔，另一個(gè)是控制時(shí)序。 

對(duì)於第一類(lèi)，我們將zookeeper上的一個(gè)znode看作是一把鎖，通過(guò)createznode的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有客戶(hù)端都去創(chuàng)建 /distribute_lock 節(jié)點(diǎn)，最終成功創(chuàng)建的那個(gè)客戶(hù)端也即擁有了這把鎖。用完刪除掉自己創(chuàng)建的distribute_lock 節(jié)點(diǎn)就釋放出鎖。 

對(duì)於第二類(lèi)， /distribute_lock 已經(jīng)預先存在，所有客戶(hù)端在它下面創(chuàng)建臨時(shí)順序編號(hào)目錄節(jié)點(diǎn)，和選master一樣，編號(hào)最小的獲得鎖，用完刪除，依次方便。

 

10.Zookeeper隊(duì)列管理

兩(liǎng)種類(lèi)型的隊(duì)列：

1、同步隊(duì)列，當(dāng)一個(gè)隊(duì)列的成員都聚齊時(shí)，這個(gè)隊(duì)列才可用，否則一直等待所有成員到達(dá)。 

2、隊(duì)列按照 FIFO 方式進(jìn)行入隊(duì)和出隊(duì)操作。 

第一類(lèi)，在約定目錄下創(chuàng)建臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn)，監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)數(shù)目是否是我們要求的數(shù)目。 

第二類(lèi)，和分布式鎖服務(wù)中的控制時(shí)序場(chǎng)景基本原理一致，入列有編號(hào)，出列按編號(hào)。

11.分布式與數(shù)據(jù)複製

Zookeeper作為一個(gè)集群提供一致的數(shù)據(jù)服務(wù)，自然，它要在所有機(jī)器間做數(shù)據(jù)複製。數(shù)據(jù)複製的好處： 

1、容錯：一個(gè)節(jié)點(diǎn)出錯，不致於讓整個(gè)系統(tǒng)停止工作，別的節(jié)點(diǎn)可以接管它的工作； 

2、提高系統(tǒng)的擴展能力：把負(fù)載分布到多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，或者增加節(jié)點(diǎn)來(lái)提高系統(tǒng)的負(fù)載能力； 

3、提高性能：讓客戶(hù)端本地訪(fǎng)問(wèn)就近的節(jié)點(diǎn)，提高用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)速度。 

從客戶(hù)端讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的透明度來(lái)看，數(shù)據(jù)複製集群系統(tǒng)分下面兩(liǎng)種： 

1、寫(xiě)主(WriteMaster) ：對(duì)數(shù)據(jù)的修改提交給指定的節(jié)點(diǎn)。讀無(wú)此限制，可以讀取任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這種情況下客戶(hù)端需要對(duì)讀與寫(xiě)進(jìn)行區(qū)別，俗稱(chēng)讀寫(xiě)分離； 

2、寫(xiě)任意(Write Any)：對(duì)數(shù)據(jù)的修改可提交給任意的節(jié)點(diǎn)，跟讀一樣。這種情況下，客戶(hù)端對(duì)集群節(jié)點(diǎn)的角色與變化透明。

對(duì)zookeeper來(lái)說(shuō)，它採用的方式是寫(xiě)任意。通過(guò)增加機(jī)器，它的讀吞吐能力和響應(yīng)能力擴展性非常好，而寫(xiě)，隨著機(jī)器的增多吞吐能力肯定下降（這也是它建立observer的原因），而響應(yīng)能力則取決於具體實(shí)現(xiàn)方式，是延遲複製保持最終一致性，還是立即複製快速響應(yīng)。

12.Zookeeper角色描述

 

13.Zookeeper與客戶(hù)端

 

14.Zookeeper設(shè)計(jì)目的

1.最終一致性：client不論連接到哪個(gè)Server，展示給它都是同一個(gè)視圖，這是zookeeper最重要的性能。 

2.可靠性：具有簡(jiǎn)單、健壯、良好的性能，如果消息被到一臺(tái)伺服器接受，那麼它將被所有的伺服器接受。 

3.實(shí)時(shí)性：Zookeeper保證客戶(hù)端將在一個(gè)時(shí)間間隔範圍內(nèi)獲得伺服器的更新信息，或者伺服器失效的信息。但由於網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等原因，Zookeeper不能保證兩(liǎng)個(gè)客戶(hù)端能同時(shí)得到剛更新的數(shù)據(jù)，如果需要最新數(shù)據(jù)，應(yīng)該在讀數(shù)據(jù)之前調(diào)用sync()接口。 

4.等待無(wú)關(guān)（wait-free）：慢的或者失效的client不得幹預快速的client的請求，使得每個(gè)client都能有效的等待。 

5.原子性：更新只能成功或者失敗，沒有中間狀態(tài)。 

6.順序性：包括全局有序和偏序兩(liǎng)種：全局有序是指如果在一臺(tái)伺服器上消息a在消息b前發(fā)布，則在所有Server上消息a都將在消息b前被發(fā)布；偏序是指如果一個(gè)消息b在消息a後被同一個(gè)發(fā)送者發(fā)布，a必將排在b前面。 

15.Zookeeper工作原理

Zookeeper 的核心是原子廣(guǎng)播，這個(gè)機(jī)制保證了各個(gè)Server之間的同步。實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制的協(xié)議叫做Zab協(xié)議。Zab協(xié)議有兩(liǎng)種模式，它們分別是恢復模式（選主）和廣(guǎng)播模式（同步）。當(dāng)服務(wù)啟動(dòng)或者在領(lǐng)導(dǎo )者崩潰後，Zab就進(jìn)入了恢復模式，當(dāng)領(lǐng)導(dǎo )者被選舉出來(lái)，且大多數(shù)Server完成了和 leader的狀態(tài)同步以後，恢復模式就結(jié)束了。狀態(tài)同步保證了leader和Server具有相同的系統(tǒng)狀態(tài)。 

為了保證事務(wù)的順序一致性，zookeeper採用了遞增的事務(wù)id號(hào)（zxid）來(lái)標(biāo)識事務(wù)。所有的提議（proposal）都在被提出的時(shí)候加上了zxid。實(shí)現(xiàn)中zxid是一個(gè)64位的數(shù)字，它高32位是epoch用來(lái)標(biāo)識leader關(guān)係是否改變，每次一個(gè)leader被選出來(lái)，它都會(huì)有一個(gè)新的epoch，標(biāo)識當(dāng)前屬於那個(gè)leader的統(tǒng)治時(shí)期。低32位用於遞增計(jì)數(shù)。

16.Zookeeper下Server工作狀態(tài)

每個(gè)Server在工作過(guò)程中有三種狀態(tài)： 

LOOKING：當(dāng)前Server不知道leader是誰，正在搜尋

LEADING：當(dāng)前Server即為選舉出來(lái)的leader

FOLLOWING：leader已經(jīng)選舉出來(lái)，當(dāng)前Server與之同步

17.Zookeeper選主流程baiscpaxos

當(dāng)leader崩潰或者leader失去大多數(shù)的follower，這時(shí)候zk進(jìn)入恢復模式，恢復模式需要重新選舉出一個(gè)新的leader，讓所有的Server都恢復到一個(gè)正確的狀態(tài)。Zk的選舉算法有兩(liǎng)種：一種是基於basic paxos實(shí)現(xiàn)的，另外一種是基於fast paxos算法實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)默認(rèn)的選舉算法為fast paxos。

1.選舉線(xiàn )程由當(dāng)前Server發(fā)起選舉的線(xiàn )程擔(dān)任，其主要功能是對(duì)投票結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，並選出推薦的Server； 

2.選舉線(xiàn )程首先向所有Server發(fā)起一次詢問(wèn)(包括自己)； 

3.選舉線(xiàn )程收到回復後，驗(yàn)證是否是自己發(fā)起的詢問(wèn)(驗(yàn)證zxid是否一致)，然後獲取對(duì)方的id(myid)，並存儲(chǔ)到當(dāng)前詢問(wèn)對(duì)象列表中，最後獲取對(duì)方提議的leader相關(guān)信息(id,zxid)，並將這些信息存儲(chǔ)到當(dāng)次選舉的投票記錄表中； 

4.收到所有Server回復以後，就計(jì)算出zxid最大的那個(gè)Server，並將這個(gè)Server相關(guān)信息設(shè)置成下一次要投票的Server； 

5.線(xiàn )程將當(dāng)前zxid最大的Server設(shè)置為當(dāng)前Server要推薦的Leader，如果此時(shí)獲勝的Server獲得n/2 + 1的Server票數(shù)，設(shè)置當(dāng)前推薦的leader為獲勝的Server，將根據(jù)獲勝的Server相關(guān)信息設(shè)置自己的狀態(tài)，否則，繼續(xù)這個(gè)過(guò)程，直到leader被選舉出來(lái)。 通過(guò)流程分析我們可以得出：要使Leader獲得多數(shù)Server的支持，則Server總數(shù)必須是奇數(shù)2n+1，且存活的Server的數(shù)目不得少於n+1. 每個(gè)Server啟動(dòng)後都會(huì)重複以上流程。在恢復模式下，如果是剛從崩潰狀態(tài)恢復的或者剛啟動(dòng)的server還會(huì)從磁碟快照中恢復數(shù)據(jù)和會(huì)話(huà)信息，zk會(huì)記錄事務(wù)日誌並定期進(jìn)行快照，方便在恢復時(shí)進(jìn)行狀態(tài)恢復。選主的具體流程圖所示： 

 

18.Zookeeeper選主流程fastpaxos

fast paxos流程是在選舉過(guò)程中，某Server首先向所有Server提議自己要成為leader，當(dāng)其它Server收到提議以後，解決epoch和 zxid的衝突，並接受對(duì)方的提議，然後向對(duì)方發(fā)送接受提議完成的消息，重複這個(gè)流程，最後一定能選舉出Leader。

 

19.Zookeeper同步流程

選完Leader以後，zk就進(jìn)入狀態(tài)同步過(guò)程。 

1. Leader等待server連接； 

2 .Follower連接leader，將最大的zxid發(fā)送給leader； 

3 .Leader根據(jù)follower的zxid確定同步點(diǎn)； 

4 .完成同步後通知follower 已經(jīng)成為uptodate狀態(tài)； 

5 .Follower收到uptodate消息後，又可以重新接受client的請求進(jìn)行服務(wù)了。

 

20.Zookeeper工作流程-Leader

1 .恢復數(shù)據(jù)； 

2 .維持與Learner的心跳，接收Learner請求並判斷Learner的請求消息類(lèi)型； 

3 .Learner的消息類(lèi)型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根據(jù)不同的消息類(lèi)型，進(jìn)行不同的處理。 

PING 消息是指Learner的心跳信息；

REQUEST消息是Follower發(fā)送的提議信息，包括寫(xiě)請求及同步請求；

ACK消息是 Follower的對(duì)提議的回覆，超過(guò)半數(shù)的Follower通過(guò)，則commit該提議；

REVALIDATE消息是用來(lái)延長(zhǎng)SESSION有效時(shí)間。

 

21.Zookeeper工作流程-Follower

Follower主要有四個(gè)功能： 

1.向Leader發(fā)送請求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）； 

2.接收Leader消息並進(jìn)行處理； 

3.接收Client的請求，如果為寫(xiě)請求，發(fā)送給Leader進(jìn)行投票；

4.返回Client結(jié)果。 

Follower的消息循環(huán)處理如下幾種來(lái)自Leader的消息： 

1 .PING消息： 心跳消息； 

2 .PROPOSAL消息：Leader發(fā)起的提案，要求Follower投票； 

3 .COMMIT消息：伺服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：根據(jù)Leader的REVALIDATE結(jié)果，關(guān)閉待revalidate的session還是允許其接受消息； 

6 .SYNC消息：返回SYNC結(jié)果到客戶(hù)端，這個(gè)消息最初由客戶(hù)端發(fā)起，用來(lái)強(qiáng)制得到最新的更新。