zookeeper原理浅析（一）

参考：https://www.cnblogs.com/leocook/p/zk_0.html

代码：https://github.com/littlecarzz/zookeeper

1. 什么是Zookeeper

Zookeeper是Hadoop的一个子项目，它是分布式系统中的协调系统，可提供的服务主要有：配置服务、名字服务、分布式同步、组服务等。

它可以作为dubbo的服务注册中心。

它是集群的管理者，监视着集群中各个节点的状态根据节点提交的反馈进行下一步合理操作。最终，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。

它有以下特点：

• 简单

　　Zookeeper的核心是一个精简的文件系统，它支持一些简单的操作和一些抽象操作，例如，排序和通知。

• 丰富

Zookeeper的原语操作是很丰富的，可实现一些协调数据结构和协议。例如，分布式队列、分布式锁和一组同级别节点中的“领导者选举”。

• 高可靠

　　Zookeeper支持集群模式，可以很容易的解决单点故障问题。

• 松耦合交互

　　不同进程间的交互不需要了解彼此，甚至可以不必同时存在，某进程在zookeeper中留下消息后，该进程结束后其它进程还可以读这条消息。

• 资源库

Zookeeper实现了一个关于通用协调模式的开源共享存储库，能使开发者免于编写这类通用协议。

2. ZooKeeper的安装

• 独立模式安装

Zookeeper的运行环境是需要java的，建议安装oracle的java6.

可去官网下载一个稳定的版本，然后进行安装：http://zookeeper.apache.org/

解压后在zookeeper的conf目录下创建配置文件zoo.cfg，里面的配置信息可参考统计目录下的zoo_sample.cfg文件，我们这里配置为：

tickTime=2000
initLimit=10
syncLimit=5
dataDir=/opt/zookeeper-data/
clientPort=2181

tickTime：指定了ZooKeeper的基本时间单位（以毫秒为单位）；

initLimit：指定了启动zookeeper时，zookeeper实例中的随从实例同步到领导实例的初始化连接时间限制，超出时间限制则连接失败（以tickTime为时间单位）；

syncLimit：指定了zookeeper正常运行时，主从节点之间同步数据的时间限制，若超过这个时间限制，那么随从实例将会被丢弃；

dataDir：zookeeper存放数据的目录；

clientPort：用于连接客户端的端口。

• 启动一个本地的ZooKeeper实例

% zkServer.sh start

检查ZooKeeper是否正在运行

echo ruok | nc localhost 2181

若是正常运行的话会打印“imok”。

3. ZooKeeper监控

• 远程JMX配置

默认情况下，zookeeper是支持本地的jmx监控的。若需要远程监控zookeeper，则需要进行进行如下配置。

默认的配置有这么一行：

ZOOMAIN="-Dcom.sun.management.jmxremote -Dcom.sun.management.jmxremote.local.only=$JMXLOCALONLY org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumPeerMain"

咱们在$JMXLOCALONLY后边添加jmx的相关参数配置：

ZOOMAIN="-Dcom.sun.management.jmxremote
        -Dcom.sun.management.jmxremote.local.only=$JMXLOCALONLY
                -Djava.rmi.server.hostname=192.168.1.8
                -Dcom.sun.management.jmxremote.port=1911
                -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false
                -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false
                 org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumPeerMain"

这样就可以远程监控了，可以用jconsole.exe或jvisualvm.exe等工具对其进行监控。

• 身份验证

这里没有配置验证信息，如果需要请参见我的博文jvisualvm远程监控tomcat：http://www.cnblogs.com/leocook/p/jvisualvmandtomcat.html

4. Zookeeper的存储模型

Zookeeper的数据存储采用的是结构化存储，结构化存储是没有文件和目录的概念，里边的目录和文件被抽象成了节点（node），zookeeper里可以称为znode。Znode的层次结构如下图：

最上边的是根目录，下边分别是不同级别的子目录。

5. Zookeeper客户端的使用

• zkCli.sh

可使用./zkCli.sh -server localhost来连接到Zookeeper服务上。

使用ls /可查看根节点下有哪些子节点，可以双击Tab键查看更多命令。

• Java客户端

可创建org.apache.zookeeper.ZooKeeper对象来作为zk的客户端，注意，java api里创建zk客户端是异步的，为防止在客户端还未完成创建就被使用的情况，这里可以使用同步计时器，确保zk对象创建完成再被使用。

• C客户端

可以使用zhandle_t指针来表示zk客户端，可用zookeeper_init方法来创建。可在ZK_HOME\src\c\src\ cli.c查看部分示例代码。

6. Zookeeper创建Znode

Znode有两种类型：短暂的和持久的。短暂的znode在创建的客户端与服务器端断开（无论是明确的断开还是故障断开）连接时，该znode都会被删除；相反，持久的znode则不会。

public class CreateGroup implements Watcher{
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 1000;//会话延时

    private ZooKeeper zk = null;
    private CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);//同步计数器

    public void process(WatchedEvent event) {
        if(event.getState() == KeeperState.SyncConnected){
            countDownLatch.countDown();//计数器减一
        }
    }

    /**
     * 创建zk对象
     * 当客户端连接上zookeeper时会执行process(event)里的countDownLatch.countDown()，计数器的值变为0，则countDownLatch.await()方法返回。
     * @param hosts
     * @throws IOException
     * @throws InterruptedException
     */
    public void connect(String hosts) throws IOException, InterruptedException {
        zk = new ZooKeeper(hosts, SESSION_TIMEOUT, this);
        countDownLatch.await();//阻塞程序继续执行
    }

    /**
     * 创建group
     *
     * @param groupName 组名
     * @throws KeeperException
     * @throws InterruptedException
     */
    public void create(String groupName) throws KeeperException, InterruptedException {
        String path = "/" + groupName;
        String createPath = zk.create(path, null, Ids.OPEN_ACL_UNSAFE/*允许任何客户端对该znode进行读写*/, CreateMode.PERSISTENT/*持久化的znode*/);
        System.out.println("Created " + createPath);
    }

    /**
     * 关闭zk
     * @throws InterruptedException
     */
    public void close() throws InterruptedException {
        if(zk != null){
            try {
                zk.close();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw e;
            }finally{
                zk = null;
                System.gc();
            }
        }
    }
}

这里我们使用了同步计数器CountDownLatch，在connect方法中创建执行了zk = new ZooKeeper(hosts, SESSION_TIMEOUT, this);之后，下边接着调用了CountDownLatch对象的await方法阻塞，因为这是zk客户端不一定已经完成了与服务端的连接，在客户端连接到服务端时会触发观察者调用process()方法，我们在方法里边判断一下触发事件的类型，完成连接后计数器减一，connect方法中解除阻塞。

还有两个地方需要注意：这里创建的znode的访问权限是open的，且该znode是持久化存储的。

测试类如下：

public class CreateGroupTest {

    private static String hosts = "192.168.1.8";
    private static String groupName = "zoo";

    private CreateGroup createGroup = null;

    /**
     * init
     * @throws InterruptedException
     * @throws KeeperException
     * @throws IOException
     */
    @Before
    public void init() throws KeeperException, InterruptedException, IOException {
        createGroup = new CreateGroup();
        createGroup.connect(hosts);
    }

    @Test
    public void testCreateGroup() throws KeeperException, InterruptedException {
        createGroup.create(groupName);
    }

    /**
     * 销毁资源
     */
    @After
    public void destroy() {
        try {
            createGroup.close();
            createGroup = null;
            System.gc();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

由于zk对象的创建和销毁代码是可以复用的，所以这里我们把它分装成了接口：

/**
 * 连接的观察者，封装了zk的创建等
 * @author leo
 *
 */
public class ConnectionWatcher implements Watcher {
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 5000;

    protected ZooKeeper zk = null;
    private CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);

    public void process(WatchedEvent event) {
        KeeperState state = event.getState();

        if(state == KeeperState.SyncConnected){
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

    /**
     * 连接资源
     * @param hosts
     * @throws IOException
     * @throws InterruptedException
     */
    public void connection(String hosts) throws IOException, InterruptedException {
        zk = new ZooKeeper(hosts, SESSION_TIMEOUT, this);
        countDownLatch.await();
    }

    /**
     * 释放资源
     * @throws InterruptedException
     */
    public void close() throws InterruptedException {
        if (null != zk) {
            try {
                zk.close();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw e;
            }finally{
                zk = null;
                System.gc();
            }
        }
    }
}

7. Zookeeper删除Znode

/**

 * 删除分组
 * @author leo
 *
 */
public class DeleteGroup extends ConnectionWatcher {
    public void delete(String groupName) {
        String path = "/" + groupName;

        try {
            List<String> children = zk.getChildren(path, false);

            for(String child : children){
                zk.delete(path + "/" + child, -1);
            }
            zk.delete(path, -1);//版本号为-1，
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

zk.delete(path,version)方法的第二个参数是znode版本号，如果提供的版本号和znode版本号一致才会删除这个znode，这样可以检测出对znode的修改冲突。通过将版本号设置为-1，可以绕过这个版本检测机制，无论znode的版本号是什么，都会直接将其删除。

测试类：

public class DeleteGroupTest {
    private static final String HOSTS = "192.168.1.137";
    private static final String groupName = "zoo";

    private DeleteGroup deleteGroup = null;

    @Before
    public void init() throws IOException, InterruptedException {
        deleteGroup = new DeleteGroup();
        deleteGroup.connection(HOSTS);
    }

    @Test
    public void testDelete() throws IOException, InterruptedException, KeeperException {
        deleteGroup.delete(groupName);
    }

    @After
    public void destroy() throws InterruptedException {
        if(null != deleteGroup){
            try {
                deleteGroup.close();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw e;
            }finally{
                deleteGroup = null;
                System.gc();
            }
        }
    }
}

8. Zookeeper的相关操作

ZooKeeper中共有9中操作：

create：创建一个znode

delete：删除一个znode

exists：测试一个znode

getACL，setACL：获取/设置一个znode的ACL（权限控制）

getChildren：获取一个znode的子节点

getData，setData：获取/设置一个znode所保存的数据

sync：将客户端的znode视图与ZooKeeper同步

这里更新数据是必须要提供znode的版本号（也可以使用-1强制更新，这里可以执行前通过exists方法拿到znode的元数据Stat对象，然后从Stat对象中拿到对应的版本号信息），如果版本号不匹配，则更新会失败。因此一个更新失败的客户端可以尝试是否重试或执行其它操作。

9. ZooKeeper的API

ZooKeeper的api支持多种语言，在操作时可以选择使用同步api还是异步api。同步api一般是直接返回结果，异步api一般是通过回调来传送执行结果的，一般方法中有某参数是类AsyncCallback的内部接口，那么该方法应该就是异步调用，回调方法名为processResult。

10. 观察触发器

可以对客户端和服务器端之间的连接设置观察触发器（后边称之为zookeeper的状态观察触发器），也可以对znode设置观察触发器。

• 状态观察器

zk的整个生命周期如下：

可在创建zk对象时传入一个观察器，在完成CONNECTING状态到CONNECTED状态时，观察器会触发一个事件，该触发的事件类型为NONE，通过event.getState()方法拿到事件状态为SyncConnected。有一点需要注意的就是，在zk调用close方法时不会触发任何事件，因为这类的显示调用是开发者主动执行的，属于可控的，不用使用事件通知来告知程序。这一块在下篇博文还会详细解说。

• 设置znode的观察器

可以在读操作exists、getChildren和getData上设置观察，在执行写操作create、delete和setData将会触发观察事件，当然，在执行写的操作时，也可以选择是否触发znode上设置的观察器，具体可查看相关的api。

当观察的znode被创建、删除或其数据被更新时，设置在exists上的观察将会被触发；

当观察的znode被删除或数据被更新时，设置在getData上的观察将会被触发；

当观察的znode的子节点被创建、删除或znode自身被删除时，设置在getChildren上的观察将会被触发，可通过观察事件的类型来判断被删除的是znode还是它的子节点。

对于NodeCreated和NodeDeleted根据路径就能发现是哪个znode被写；对于NodeChildrenChanged可根据getChildren来获取新的子节点列表。

注意：在收到收到触发事件到执行读操作之间，znode的状态可能会发生状态，这点需要牢记。

至此，编写简单的zookeeper应该是可以的了，下篇博文咱们来深入探讨zookeeper的相关知识。

参考地址：http://zookeeper.apache.org/doc/r3.4.6/

参考书籍：《hadoop权威指南》