Zookeeper(三) Zookeeper原理与应用

一、zookeeper原理解析

1、进群角色描述

2、Paxos 算法概述（ ZAB 协议）    分布式一致性算法

3、Zookeeper 的选主（恢复模式）

以一个简单的例子来说明整个选举的过程.
假设有五台服务器组成的 zookeeper 集群,它们的 id 从 1-5,同时它们都是最新启动的,也就是 没有历史数据,在存放数据量这一点上,都是一样的.假设这些服务器依序启动,来看看会发生 什么.

（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.
（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,当小弟.     （如果干掉ID3，怎么重新选举 id最大的那台也就是5id）

总结： zookeeper server 的三种工作状态
LOOKING：当前 Server 不知道 leader 是谁，正在搜寻，正在选举
LEADING：当前 Server 即为选举出来的 leader，负责协调事务
FOLLOWING： leader 已经选举出来，当前 Server 与之同步，服从 leader 的命令

4、非全新集群的选举机制（数据恢复）

那么，初始化的时候，是按照上述的说明进行选举的，但是当 zookeeper 运行了一段时间之 后，有机器 down 掉，重新选举时，选举过程就相对复杂了。
需要加入数据 version、 server id 和逻辑时钟。
数据 version：数据新的 version 就大，数据每次更新都会更新 version。
Leader id：就是我们配置的 myid 中的值，每个机器一个。
逻辑时钟：这个值从 0 开始递增,每次选举对应一个值,也就是说: 如果在同一次选举中,那么 这个值应该是一致的 ; 逻辑时钟值越大,说明这一次选举 leader 的进程更新.

选举的标准就变成：
    （1）逻辑时钟小的选举结果被忽略，重新投票
    （2）统一逻辑时钟后，数据 id 大的胜出
    （3）数据 id 相同的情况下， leader id 大的胜出
根据这个规则选出 leader。

二、zookeeper应用案例

1、服务器上下线动态感知

需求：某分布式系统中，主节点可以有多台，可以动态上下线。 任意一台客户端都能实时感知 到主节点服务器的上下线 
      设计思路：

（1） 设计服务器端存入服务器上线，下线的信息，比如都写入到 servers 节点下
         （2）设计客户端监听该 servers 节点，获取该服务器集群的在线服务器列表
         （3）服务器一上线，就往 zookeeper 文件系统中的一个统一的节点比如 servers 下写入一个临 时节 点，记录下服务器的信息（思考，该节点最好采用什么类型的节点？）
         （4） 服务器一下线，则删除 servers 节点下的该服务器的信息，则客户端因为监听了该节点的数据变化，所以将第一时间得知服务器的在线状态
      实现：

服务器端

package com.ghgj.zookeeper.mydemo;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooDefs.Ids;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
/**
* 用来模拟服务器的动态上线下线
* 总体思路就是服务器上线就上 zookeeper 集群创建一个临时节点，然后监听了该数据节
点的个数变化的客户端都收到通知
* 下线，则该临时节点自动删除，监听了该数据节点的个数变化的客户端也都收到通知
*/
public class DistributeServer {
private static final String connectStr = "hadoop02:2181,hadoop03:2181,hadoop04:2181";
private static final int sessionTimeout = 4000;
private static final String PARENT_NODE = "/server";
static ZooKeeper zk = null;
public static void main(String[] args) throws Exception {
DistributeServer distributeServer = new DistributeServer();
distributeServer.getZookeeperConnect();
distributeServer.registeServer("hadoop03");
Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
}
/**
* 拿到 zookeeper 进群的链接
*/
public void getZookeeperConnect() throws Exception {
zk = new ZooKeeper(connectStr, sessionTimeout, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent event) {
}
});
}
/**
* 服务器上线就注册，掉线就自动删除，所以创建的是临时顺序节点
*/
public void registeServer(String hostname) throws Exception{
Stat exists = zk.exists(PARENT_NODE, false);
if(exists == null){
zk.create(PARENT_NODE,"server_parent_node".getBytes(),Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT);
}
zk.create(PARENT_NODE+"/"+hostname, hostname.getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
System.out.println(hostname+" is online, start working......");
}
}

　　客户端

package com.ghgj.zookeeper.mydemo;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;
/**
* 用来模拟用户端的操作：连上 zookeeper 进群，实时获取服务器动态上下线的节点信息
* 总体思路就是每次该 server 节点下有增加或者减少节点数，我就打印出来该 server 节点
下的所有节点
*/
public class DistributeClient {
private static final String connectStr = "hadoop02:2181,hadoop03:2181,hadoop04:2181";
private static final int sessionTimeout = 4000;
private static final String PARENT_NODE = "/server";
static ZooKeeper zk = null;
public static void main(String[] args) throws Exception {
DistributeClient dc = new DistributeClient();
dc.getZookeeperConnect();
Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
}
/**
* 拿到 zookeeper 进群的链接
*/
public void getZookeeperConnect() throws Exception {
zk = new ZooKeeper(connectStr, sessionTimeout, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent event) {
try {
// 获取父节点 server 节点下所有子节点，即是所有正上线服务的服
务器节点
List<String> children = zk.getChildren(PARENT_NODE, true);
List<String> servers = new ArrayList<String>();
for(String child: children){
// 取出每个节点的数据，放入到 list 里
String server = new String(zk.getData(PARENT_NODE+"/"+child,
false, null), "UTF-8");
servers.add(server);
}
// 打印 list 里面的元素
System.out.println(servers);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
System.out.println("Client is online, start Working......");
}
}

　　2、分布式共享锁

需求：在我们自己的分布式业务系统中，可能会存在某种资源，需要被整个系统的各台服务器共享 访问，但是只允许一台服务器同时访问

设计思路：

（1） 设计多个客户端同时访问同一个数据
         （2）为了同一时间只能允许一个客户端上去访问，所以各个客户端去 zookeeper 集群的一个 znode 节点去注册一个临时节点，定下规则，每次都是编号最小的客户端才能去访问
         （3）多个客户端同时监听该节点，每次当有子节点被删除时，就都收到通知，然后判断自己 的编号是不是最小的，最小的就去执行访问，不是最小的就继续监听。
      代码实现：

package com.ghgj.zookeeper.mydemo;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.Watcher.Event.EventType;
import org.apache.zookeeper.ZooDefs.Ids;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
/**
* 需求：多个客户端，需要同时访问同一个资源，但同时只允许一个客户端进行访问。
* 设计思路：多个客户端都去父 znode 下写入一个子 znode，能写入成功的去执行访问，
写入不成功的等待
*/
public class MyDistributeLock {
private static final String connectStr = "hadoop02:2181,hadoop03:2181,hadoop04:2181";
private static final int sessionTimeout = 4000;
private static final String PARENT_NODE = "/parent_locks";
private static final String SUB_NODE = "/sub_client";
static ZooKeeper zk = null;
private static String currentPath = "";
public static void main(String[] args) throws Exception {
MyDistributeLock mdc = new MyDistributeLock();
// 1、拿到 zookeeper 链接
mdc.getZookeeperConnect();
// 2、查看父节点是否存在，不存在则创建
Stat exists = zk.exists(PARENT_NODE, false);
if(exists == null){
zk.create(PARENT_NODE, PARENT_NODE.getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT);
}
// 3、监听父节点
zk.getChildren(PARENT_NODE, true);
// 4、往父节点下注册节点，注册临时节点，好处就是，当宕机或者断开链接时该
节点自动删除
currentPath = zk.create(PARENT_NODE+SUB_NODE, SUB_NODE.getBytes(),
Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
// 5、关闭 zk 链接
Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
zk.close();
}
/**
* 拿到 zookeeper 集群的链接
*/
public void getZookeeperConnect() throws Exception {
zk = new ZooKeeper(connectStr, sessionTimeout, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent event) {
// 匹配看是不是子节点变化，并且监听的路径也要对
if(event.getType() == EventType.NodeChildrenChanged &&
event.getPath().equals(PARENT_NODE)){
try {
// 获取父节点的所有子节点, 并继续监听
List<String> childrenNodes = zk.getChildren(PARENT_NODE, true);
// 匹配当前创建的 znode 是不是最小的 znode
Collections.sort(childrenNodes);
if((PARENT_NODE+"/"+childrenNodes.get(0)).equals(currentPath)){
// 处理业务
handleBusiness(currentPath);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
});
}
public void handleBusiness(String create) throws Exception{
System.out.println(create+" is working......");
Thread.sleep(new Random().nextInt(4000));
zk.delete(currentPath, -1);
System.out.println(create+" is done ......");
currentPath = zk.create(PARENT_NODE+SUB_NODE, SUB_NODE.getBytes(),
Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
}
}

　　

补充：监听机制案例

package com.ghgj.zkapi;

import java.io.IOException;
import java.util.List;

import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.KeeperException;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;
import org.apache.zookeeper.Watcher.Event.EventType;
import org.apache.zookeeper.ZooDefs.Ids;

public class ZKAPIDEMOWatcher {

	// 获取zookeeper连接时所需要的服务器连接信息，格式为主机名：端口号
	private static final String ConnectString = "hadoop02:2181";

	// 请求了解的会话超时时长
	private static final int SessionTimeout = 5000;

	private static ZooKeeper zk = null;
	static Watcher w = null;
	static Watcher watcher = null;

	public static void main(String[] args) throws Exception {

	watcher = new Watcher() {
			@Override
			public void process(WatchedEvent event) {
				System.out.println(event.getPath() + "\t-----" + event.getType());
				List<String> children;
				try {
					if (event.getPath().equals("/spark") && event.getType() == EventType.NodeChildrenChanged) {
						// zk.setData("/spark", "spark-sql".getBytes(), -1);
						System.out.println("数据更改成功 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
						children = zk.getChildren("/spark", watcher);
					}
					if (event.getPath().equals("/spark") && event.getType() == EventType.NodeDataChanged) {
						// zk.setData("/spark", "spark-sql".getBytes(), -1);
						System.out.println("数据更改成功 ￥##########");
						zk.getData("/spark", watcher, null);
					}
					if (event.getPath().equals("/mx") && event.getType() == EventType.NodeChildrenChanged) {
						// zk.setData("/mx", "spark-sql".getBytes(), -1);
						System.out.println("数据更改成功  ---------");
						children = zk.getChildren("/mx", watcher);
					}

				} catch (KeeperException | InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		};

		zk = new ZooKeeper(ConnectString, SessionTimeout, watcher);

		zk.getData("/spark", true, null);
		zk.getChildren("/spark", true);
		zk.getChildren("/mx", true);
		zk.exists("/spark", true);

		自定义循环自定义
		w = new Watcher() {
			@Override
			public void process(WatchedEvent event) {
				try {
					zk.getData("/hive", w, null);
					System.out.println("hive shuju bianhua ");
				} catch (KeeperException e) {
					e.printStackTrace();
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		};

		zk.getData("/hive", w, null);

		// zk.setData(path, data, version);

		// 表示给znode /ghgj 的数据变化事件加了监听
		// 第二个参数使用true还是false的意义就是是否使用拿zookeeper链接时指定的监听器
		// zk.getData("/ghgj", true, null);
		// zk.setData("/ghgj", "hadoophdfs2".getBytes(), -1);

		/*
		 * zk.getData("/sqoop", new Watcher(){
		 *
		 * @Override public void process(WatchedEvent event) {
		 * System.out.println("**************");
		 * System.out.println(event.getPath()+"\t"+event.getType()); } }, null);
		 */
		// zk.setData("/sqoop", "hadoophdfs3".getBytes(), -1); //
		// NodeDataChanged
		// zk.delete("/sqoop", -1); // NodeDeleted
		// zk.create("/sqoop/s1", "s1".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
		// CreateMode.PERSISTENT);

		// zk.exists("/hivehive", new Watcher(){
		// @Override
		// public void process(WatchedEvent event) {
		// System.out.println("**************");
		// System.out.println(event.getPath()+"\t"+event.getType());
		// }
		// });

		// create方法
		// zk.create("/hivehive", "hivehive".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
		// CreateMode.PERSISTENT);
		// zk.delete("/hivehive", -1);
		// zk.setData("/hivehive", "hadoop".getBytes(), -1);

		// 需求：有一个父节点叫做/spark，数据是spark,当父节点/spark下有三个子节点，
		// 那么就把该父节点的数据改成spark-sql
		// zk.create("/spark", "spark".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
		// CreateMode.PERSISTENT);

		/*
		 * zk.getChildren("/spark", new Watcher() {
		 *
		 * @Override public void process(WatchedEvent event) { try {
		 * List<String> children = zk.getChildren("/spark", true);
		 * if(children.size() == 3){
		 *
		 * } zk.setData("/spark", "spark-sql".getBytes(), -1);
		 * System.out.println("数据更改成功"); } catch (KeeperException |
		 * InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } });
		 */

		Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);

		zk.close();
	}
}