Zookeeper 入门与基本命令

Zookeeper 分布式服务框架是 Apache Hadoop 的一个子项目，它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。它能提供基于类似于文件系统的目录节点树方式的数据存储，但是 Zookeeper 并不是用来专门存储数据的，它的作用主要是用来维护和监控你存储的数据的状态变化。通过监控这些数据状态的变化，从而可以达到基于数据的集群管理。

 

一、典型的应用场景

Zookeeper 从设计模式角度来看，是一个基于观察者模式设计的分布式服务管理框架，它负责存储和管理大家都关心的数据，然后接受观察者的注册，一旦这些数据的状态发生 变化，Zookeeper 就将负责通知已经在 Zookeeper 上注册的那些观察者做出相应的反应，从而实现集群中类似 Master/Slave 管理模式.

1. 统一命名服务（Name Service）

分布式应用中，通常需要有一套完整的命名规则，既能够产生唯一的名称又便于人识别和记住，通常情况下用树形的名称结构是一个理想的选择，树形的名称结构是一个有层次的目录结构，既对人友好又不会重复。Zookeeper 的 Name Service 与 JNDI 能够完成的功能是差不多的，它们都是将有层次的目录结构关联到一定资源上，但是 Zookeeper 的 Name Service 更加是广泛意义上的关联，也许你并不需要将名称关联到特定资源上，你可能只需要一个不会重复名称，就像数据库中产生一个唯一的数字主键一样。Name Service 已经是 Zookeeper 内置的功能，你只要调用 Zookeeper 的 API 就能实现。

 

2. 配置管理（Configuration Management）

配置的管理在分布式应用环境中很常见，如osp 接口都接入了配置中心。配置信息完全交给 Zookeeper 来管理，将配置信息保存在 Zookeeper 的某个目录节点中，然后将所有需要修改的应用机器监控配置信息的状态，一旦配置信息发生变化，每台应用机器就会收到 Zookeeper 的通知，然后从 Zookeeper 获取新的配置信息应用到系统中。

3. 集群管理（Group Membership）

Zookeeper 能够很容易的实现集群管理的功能，如有多台 Server 组成一个服务集群，那么必须要一个“总管”知道当前集群中每台机器的服务状态，一旦有机器不能提供服务，集群中其它集群必须知道，从而做出调整重新分配服 务策略。同样当增加集群的服务能力时，就会增加一台或多台 Server，同样也必须让“总管”知道。

Zookeeper 不仅能够帮你维护当前的集群中机器的服务状态，而且能够帮你选出一个“总管”，让这个总管来管理集群，这就是 Zookeeper 的另一个功能 Leader Election。

它们的实现方式都是在 Zookeeper 上创建一个 EPHEMERAL 类型的目录节点，然后每个 Server 在它们创建目录节点的父目录节点上调用 getChildren(String path, boolean watch) 方法并设置 watch 为 true，由于是 EPHEMERAL 目录节点，当创建它的 Server 死去，这个目录节点也随之被删除，所以 Children 将会变化，这时 getChildren上的 Watch 将会被调用，所以其它 Server 就知道已经有某台 Server 死去了。新增 Server 也是同样的原理。

Zookeeper 如何实现 Leader Election，也就是选出一个 Master Server。和前面的一样每台 Server 创建一个 EPHEMERAL 目录节点，不同的是它还是一个 SEQUENTIAL 目录节点，所以它是个 EPHEMERAL_SEQUENTIAL 目录节点。之所以它是 EPHEMERAL_SEQUENTIAL 目录节点，是因为我们可以给每台 Server 编号，我们可以选择当前是最小编号的 Server 为 Master，假如这个最小编号的 Server 死去，由于是 EPHEMERAL 节点，死去的 Server 对应的节点也被删除，所以当前的节点列表中又出现一个最小编号的节点，我们就选择这个节点为当前 Master。这样就实现了动态选择 Master，避免了传统意义上单 Master 容易出现单点故障的问题。

 

4. 共享锁（Locks）

共享锁在同一个进程中很容易实现，但是在跨进程或者在不同 Server 之间就不好实现了。Zookeeper 却很容易实现这个功能，实现方式也是需要获得锁的 Server 创建一个 EPHEMERAL_SEQUENTIAL 目录节点，然后调用 getChildren方法获取当前的目录节点列表中最小的目录节点是不是就是自己创建的目录节点，如果正是自己创建的，那么它就获得了这个锁，如果不是那么它就调用exists(String path, boolean watch) 方法并监控 Zookeeper 上目录节点列表的变化，一直到自己创建的节点是列表中最小编号的目录节点，从而获得锁，释放锁很简单，只要删除前面它自己所创建的目录节点就行了。

 Zookeeper 实现 Locks 的流程图

 

5. 队列管理

Zookeeper 可以处理两种类型的队列：

1. 当一个队列的成员都聚齐时，这个队列才可用，否则一直等待所有成员到达，这种是同步队列。
2. 队列按照 FIFO 方式进行入队和出队操作，例如实现生产者和消费者模型。

同步队列用 Zookeeper 实现的实现思路如下：

       创建一个父目录 /synchronizing，每个成员都监控标志（Set Watch）位目录 /synchronizing/start 是否存在，然后每个成员都加入这个队列，加入队列的方式就是创建 /synchronizing/member_i 的临时目录节点，然后每个成员获取 / synchronizing 目录的所有目录节点，也就是 member_i。判断 i 的值是否已经是成员的个数，如果小于成员个数等待 /synchronizing/start 的出现，如果已经相等就创建 /synchronizing/start。

同步队列流程图
 

二、session

在client和server通信之前, 首先需要建立连接, 该连接称为session. 连接建立后, 如果发生连接超时, 授权失败, 或者显式关闭连接, 连接便处于CLOSED状态, 此时session结束.

三、数据模型

Zookeeper 会维护一个具有层次关系的数据结构，它非常类似于一个标准的文件系统，但这个文件系统中没有文件和目录，而是统一使用节点(node)的概念，称为znode。Znode作为保存数据的容器(限制在1mb以内)，也构成了一个层次化的命名空间。一个名称是由通过斜线分隔开的路径名序列所组成的。ZooKeeper中的每一个节点是都通过路径来识别。 

znode

       zookeeper目录中的每一个节点对应着一个znode，每个znode维护着一个属性结构，它包含数据的版本号、时间戳、等信息。 Zookeeper就是通过这些属性来实现它特定的功能。每当znode的数据改变时，相应的版本号会增加，每当客户端查询、更新和删除数据时，也必须提 供要被操作的znode版本号，如果所提供的数据版本号与实际的不匹配，那么将会操作失败。

每个znode由3部分组成:

• stat. 此为状态信息, 描述该znode的版本, 权限等信息.
• data. 与该znode关联的数据.
• children. 该znode下的子节点.

znode节点的状态信息，使用get命令获取指定节点的数据时, 同时也将返回该节点的状态信息, 称为Stat. 其包含如下字段:：

• •     czxid：节点被创建的zxid值
  •     mzxid：节点被修改时zxid值
  •     ctime：节点创建的时间
  •     mtime：节点最后一次的修改时间
  •     vesion：节点的版本号
  •     cversion：节点所拥有的子节点被修改的版本号
  •     aversion：节点的ACL被修改的版本号
  •     dataLength：节点数据的长度
  •     numChildren：节点拥有子节点的个数
  •     ephemeralOwner：如果节点为临时节点，那么它的值为这个节点拥有者的session ID；如果该节点不是ephemeral节点, ephemeralOwner值为0.

        zxid：znode节点的状态信息中包含czxid和mzxid, ZooKeeper状态的每一次改变, 都对应着一个递增的Transaction id, 该id称为zxid. 由于zxid的递增性质, 如果zxid1小于zxid2, 那么zxid1肯定先于zxid2发生. 创建任意节点, 或者更新任意节点的数据, 或者删除任意节点, 都会导致Zookeeper状态发生改变, 从而导致zxid的值增加.

 

Znode是客户端访问的zookeeper的主要实体，它包含了以下主要特征：

(1)  Watch

Znode状态发生改变时(增删改等操作)，watch (监视器)机制可以让客户端得到通知，并且仅仅只会触发一次watch。

在读操作exists、getChildren和getData上可以设置监视器，这些监视器可以被写操作create、delete和 setData触发。ACL相关的操作不参与任何监视器。当一监视器触发时，会产生一个事件，这个监视器和触发它的操作共同绝地沟了监视器事件类型。

• • 当所监视的znode被创建子节点、删除或其他数据更新时，设置在exists操作上的监视器将会被触发。
  • 当所监视的znode被删除或其更新时，设置在getData上的监视器将会被触发，创建znode不会触发getData上的监视器，因为getData操作成功执行的前提是znode必须已经在。
  • 当所监视的znode的一个子节点被创建或删除时，或监视的znode自己被删时，设置在getChildren操作上的监视器将会被触发。

设置监视器的操作及对应的触发器

设置触发器的操作

触发触发器的操作/受影响的节点

create

delete

setData

znode

子节点

znode

子节点

 

Exists

NodeCreated

 

NodeDeleted

 

NodeDataChanged

getData

  

NodeDeleted

 

NodeDataChanged

getChildren

  

NodeDeleted

NodeDeleted

 

(2)  数据访问控制

每个znode创建时间都会有一个ACL列表，用于决定谁可以执行那些操作。

(3)  临时节点

Zookeeper节点有两种：临时节点和持久节点。节点类型在创建时确定，并且不能修改。临时节点生命周期依赖创建它的会话，一旦会话结束，临时节点将会被删除。临时节点不允许有子节点。

persistent: persistent节点不和特定的session绑定, 不会随着创建该节点的session的结束而消失, 而是一直存在, 除非该节点被显式删除.

ephemeral: ephemeral节点是临时性的, 如果创建该节点的session结束了, 该节点就会被自动删除. ephemeral节点不能拥有子节点. 虽然ephemeral节点与创建它的session绑定, 但只要该该节点没有被删除, 其他session就可以读写该节点中关联的数据. 使用-e参数指定创建ephemeral节点.

(4)  顺序节点

当创建znode 时设置了顺序节点，那么该znode路径之后便会附加一个递增的计数，这个计数对于此节点的父节点来说是唯一的。

例如：一个客户端请求创建一个名为/a/b-的顺序节点，则所创建znode的名字可能是a/b-5，稍后另外一个名为/a/b-的顺序节点被创建，计数器会给出一个更大的值来保证znode名称的唯一性，例如/a/b-6。

四、基本命令

连接server

zkCli.sh -servervipdev1:2181

连接到vipdev1服务器的2181端口

列出指定node的子node

ls /path

查看/path下的子节点列表

创建znode节点, 并指定关联数据

create /hello world

创建节点/hello, 并将字符串"world"关联到该节点中.

创建临时节点，并关联数据

create -e /hello/one world  

在节点/hello下创建临时节点one，并将字符串"world"关联到该节点中。

创建序列节点，并关联数据

create -s /hello/item world

在节点/hello下创建序列节点item,以item为前缀的编号节点，并将字符串关联到该节点中

修改节点的数据

set /hello world1

将节点/hello下的值改为world1

获取znode的数据和状态信息

get /hello

获取节点/hello的数据与状态

获取 znode的数据和状态，并监听

get /hello true

获取节点/hello的数据与状态，并监听其变更

删除znode

delete /hello

使用delete命令可以删除指定znode. 当该znode拥有子znode时, 必须先删除其所有子znode, 否则操作将失败. rmr命令可用于代替delete命令, rmr是一个递归删除命令, 如果发生指定节点拥有子节点时, rmr命令会首先删除子节点.