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我本人曾經(jīng)使用過 ZooKeeper 作為 Dubbo 的注冊中心，另外在搭建 Solr 集群的時候，我使用到了 ZooKeeper 作為 Solr 集群的管理工具。
前幾天，總結(jié)項目經(jīng)驗的時候，我突然問自己 ZooKeeper 到底是個什么東西？
想了半天，腦海中只是簡單的能浮現(xiàn)出幾句話：
- Zookeeper 可以被用作注冊中心。
- Zookeeper 是 Hadoop 生態(tài)系統(tǒng)的一員。
- 構(gòu)建 Zookeeper 集群的時候，使用的服務(wù)器最好是奇數(shù)臺。
可見，我對于 Zookeeper 的理解僅僅是停留在了表面。所以，通過本文，希望帶大家稍微詳細(xì)的了解一下 ZooKeeper 。
如果沒有學(xué)過 ZooKeeper，那么本文將會是你進入 ZooKeeper 大門的墊腳磚；如果你已經(jīng)接觸過 ZooKeeper ，那么本文將帶你回顧一下 ZooKeeper 的一些基礎(chǔ)概念。
最后，本文只涉及 ZooKeeper 的一些概念，并不涉及 ZooKeeper 的使用以及 ZooKeeper 集群的搭建。
網(wǎng)上有介紹 ZooKeeper 的使用以及搭建 ZooKeeper 集群的文章，大家有需要可以自行查閱。
一、什么是 ZooKeeper
Ⅰ.ZooKeeper 的由來
下面這段內(nèi)容摘自《從 Paxos 到 ZooKeeper 》第四章第一節(jié)的某段內(nèi)容，推薦大家閱讀一下：
Zookeeper 最早起源于雅虎研究院的一個研究小組。在當(dāng)時，研究人員發(fā)現(xiàn)，在雅虎內(nèi)部很多大型系統(tǒng)基本都需要依賴一個類似的系統(tǒng)來進行分布式協(xié)調(diào)，但是這些系統(tǒng)往往都存在分布式單點問題。
所以，雅虎的開發(fā)人員就試圖開發(fā)一個通用的無單點問題的分布式協(xié)調(diào)框架，以便讓開發(fā)人員將精力集中在處理業(yè)務(wù)邏輯上。
關(guān)于“ZooKeeper”這個項目的名字，其實也有一段趣聞。在立項初期，考慮到之前內(nèi)部很多項目都是使用動物的名字來命名的（例如著名的Pig項目)，雅虎的工程師希望給這個項目也取一個動物的名字。
時任研究院的首席科學(xué)家 Raghu Ramakrishnan 開玩笑地說：“在這樣下去，我們這兒就變成動物園了！”
此話一出，大家紛紛表示就叫動物園管理員吧，因為各個以動物命名的分布式組件放在一起，雅虎的整個分布式系統(tǒng)看上去就像一個大型的動物園了。
而 Zookeeper 正好要用來進行分布式環(huán)境的協(xié)調(diào)，于是，Zookeeper 的名字也就由此誕生了。
Ⅱ.ZooKeeper 概覽
ZooKeeper 是一個開源的分布式協(xié)調(diào)服務(wù)，ZooKeeper 框架最初是在“Yahoo!"上構(gòu)建的，用于以簡單而穩(wěn)健的方式訪問他們的應(yīng)用程序。
后來，Apache ZooKeeper 成為 Hadoop，HBase 和其他分布式框架使用的有組織服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)。
例如，Apache HBase 使用 ZooKeeper 跟蹤分布式數(shù)據(jù)的狀態(tài)。
ZooKeeper 的設(shè)計目標(biāo)是將那些復(fù)雜且容易出錯的分布式一致性服務(wù)封裝起來，構(gòu)成一個高效可靠的原語集，并以一系列簡單易用的接口提供給用戶使用。
原語： 操作系統(tǒng)或計算機網(wǎng)絡(luò)用語范疇。它是由若干條指令組成的，用于完成一定功能的一個過程。具有不可分割性，即原語的執(zhí)行必須是連續(xù)的，在執(zhí)行過程中不允許被中斷。
ZooKeeper 是一個典型的分布式數(shù)據(jù)一致性解決方案，分布式應(yīng)用程序可以基于 ZooKeeper 實現(xiàn)諸如數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱、負(fù)載均衡、命名服務(wù)、分布式協(xié)調(diào)/通知、集群管理、Master 選舉、分布式鎖和分布式隊列等功能。
ZooKeeper 一個最常用的使用場景就是用于擔(dān)任服務(wù)生產(chǎn)者和服務(wù)消費者的注冊中心。
服務(wù)生產(chǎn)者將自己提供的服務(wù)注冊到 ZooKeeper 中心，服務(wù)的消費者在進行服務(wù)調(diào)用的時候先到 ZooKeeper 中查找服務(wù)，獲取到服務(wù)生產(chǎn)者的詳細(xì)信息之后，再去調(diào)用服務(wù)生產(chǎn)者的內(nèi)容與數(shù)據(jù)。
如下圖所示，在 Dubbo 架構(gòu)中 ZooKeeper 就擔(dān)任了注冊中心這一角色。
Ⅲ.結(jié)合個人使用講一下 ZooKeeper
在我自己做過的項目中，主要使用到了 ZooKeeper 作為 Dubbo 的注冊中心(Dubbo 官方推薦使用 ZooKeeper 注冊中心)。
另外在搭建 Solr 集群的時候，我使用 ZooKeeper 作為 Solr 集群的管理工具。
這時，ZooKeeper 主要提供下面幾個功能：
- 集群管理：容錯、負(fù)載均衡。
- 配置文件的集中管理。
- 集群的入口。
我個人覺得在使用 ZooKeeper 的時候，最好是使用集群版的 ZooKeeper 而不是單機版的。
官網(wǎng)給出的架構(gòu)圖就描述的是一個集群版的 ZooKeeper 。通常 3 臺服務(wù)器就可以構(gòu)成一個 ZooKeeper 集群了。
為什么最好使用奇數(shù)臺服務(wù)器構(gòu)成 ZooKeeper 集群？
我們知道在 ZooKeeper 中 Leader 選舉算法采用了 Zab 協(xié)議。Zab 核心思想是當(dāng)多數(shù) Server 寫成功，則任務(wù)數(shù)據(jù)寫成功：
- 如果有 3 個 Server，則最多允許 1 個 Server 掛掉。
- 如果有 4 個 Server，則同樣最多允許 1 個 Server 掛掉。
既然 3 個或者 4 個 Server，同樣最多允許 1 個 Server 掛掉，那么它們的可靠性是一樣的。
所以選擇奇數(shù)個 ZooKeeper Server 即可，這里選擇 3 個 Server。
二、關(guān)于 ZooKeeper 的一些重要概念
Ⅰ.重要概念總結(jié)
關(guān)于 ZooKeeper 的一些重要概念：
- ZooKeeper 本身就是一個分布式程序（只要半數(shù)以上節(jié)點存活，ZooKeeper 就能正常服務(wù)）。
- 為了保證高可用，最好是以集群形態(tài)來部署 ZooKeeper，這樣只要集群中大部分機器是可用的（能夠容忍一定的機器故障），那么 ZooKeeper 本身仍然是可用的。
- ZooKeeper 將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，這也就保證了 高吞吐量和低延遲（但是內(nèi)存限制了能夠存儲的容量不太大，此限制也是保持 Znode 中存儲的數(shù)據(jù)量較小的進一步原因）。
- ZooKeeper 是高性能的。在“讀”多于“寫”的應(yīng)用程序中尤其地高性能，因為“寫”會導(dǎo)致所有的服務(wù)器間同步狀態(tài)。（“讀”多于“寫”是協(xié)調(diào)服務(wù)的典型場景。）
- ZooKeeper 有臨時節(jié)點的概念。當(dāng)創(chuàng)建臨時節(jié)點的客戶端會話一直保持活動，瞬時節(jié)點就一直存在。
- 而當(dāng)會話終結(jié)時，瞬時節(jié)點被刪除。持久節(jié)點是指一旦這個 ZNode 被創(chuàng)建了，除非主動進行 ZNode 的移除操作，否則這個 ZNode 將一直保存在 Zookeeper 上。
- ZooKeeper 底層其實只提供了兩個功能：①管理（存儲、讀取）用戶程序提交的數(shù)據(jù)；②為用戶程序提交數(shù)據(jù)節(jié)點監(jiān)聽服務(wù)。
下面關(guān)于會話（Session）、 Znode、版本、Watcher、ACL 概念的總結(jié)都在《從 Paxos 到 ZooKeeper 》第四章第一節(jié)以及第七章第八節(jié)有提到，感興趣的可以看看！
Ⅱ.會話（Session）
Session 指的是 ZooKeeper 服務(wù)器與客戶端會話。在 ZooKeeper 中，一個客戶端連接是指客戶端和服務(wù)器之間的一個 TCP 長連接。
客戶端啟動的時候，首先會與服務(wù)器建立一個 TCP 連接，從第一次連接建立開始，客戶端會話的生命周期也開始了。
通過這個連接，客戶端能夠通過心跳檢測與服務(wù)器保持有效的會話，也能夠向 Zookeeper 服務(wù)器發(fā)送請求并接受響應(yīng)，同時還能夠通過該連接接收來自服務(wù)器的 Watch 事件通知。
Session 的 sessionTimeout 值用來設(shè)置一個客戶端會話的超時時間。
當(dāng)由于服務(wù)器壓力太大、網(wǎng)絡(luò)故障或是客戶端主動斷開連接等各種原因?qū)е驴蛻舳诉B接斷開時，只要在 sessionTimeout 規(guī)定的時間內(nèi)能夠重新連接上集群中任意一臺服務(wù)器，那么之前創(chuàng)建的會話仍然有效。
在為客戶端創(chuàng)建會話之前，服務(wù)端首先會為每個客戶端都分配一個 sessionID。
由于 sessionID 是 Zookeeper 會話的一個重要標(biāo)識，許多與會話相關(guān)的運行機制都是基于這個 sessionID 的。
因此，無論是哪臺服務(wù)器為客戶端分配的 sessionID，都務(wù)必保證全局唯一。
Ⅲ.Znode
在談到分布式的時候，我們通常說的“節(jié)點"是指組成集群的每一臺機器。
然而，在 ZooKeeper 中，“節(jié)點"分為兩類：
- 第一類同樣是指構(gòu)成集群的機器，我們稱之為機器節(jié)點。
- 第二類則是指數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)單元，我們稱之為數(shù)據(jù)節(jié)點一ZNode。
ZooKeeper 將所有數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，數(shù)據(jù)模型是一棵樹（Znode Tree)，由斜杠（/）的進行分割的路徑，就是一個 Znode，例如/foo/path1。每個上都會保存自己的數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時還會保存一系列屬性信息。
在 Zookeeper 中，Node 可以分為持久節(jié)點和臨時節(jié)點兩類。所謂持久節(jié)點是指一旦這個 ZNode 被創(chuàng)建了，除非主動進行 ZNode 的移除操作，否則這個 ZNode 將一直保存在 ZooKeeper 上。
而臨時節(jié)點就不一樣了，它的生命周期和客戶端會話綁定，一旦客戶端會話失效，那么這個客戶端創(chuàng)建的所有臨時節(jié)點都會被移除。
另外，ZooKeeper 還允許用戶為每個節(jié)點添加一個特殊的屬性：SEQUENTIAL。
一旦節(jié)點被標(biāo)記上這個屬性，那么在這個節(jié)點被創(chuàng)建的時候，ZooKeeper 會自動在其節(jié)點名后面追加上一個整型數(shù)字，這個整型數(shù)字是一個由父節(jié)點維護的自增數(shù)字。
Ⅳ.版本
在前面我們已經(jīng)提到，Zookeeper 的每個 ZNode 上都會存儲數(shù)據(jù)，對應(yīng)于每個 ZNode，Zookeeper 都會為其維護一個叫作 Stat 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
Stat 中記錄了這個 ZNode 的三個數(shù)據(jù)版本，分別是：
- version（當(dāng)前 ZNode 的版本）
- cversion（當(dāng)前 ZNode 子節(jié)點的版本）
- aversion（當(dāng)前 ZNode 的 ACL 版本）
Ⅴ.Watcher
Watcher（事件監(jiān)聽器），是 ZooKeeper 中的一個很重要的特性。
ZooKeeper 允許用戶在指定節(jié)點上注冊一些 Watcher，并且在一些特定事件觸發(fā)的時候，ZooKeeper 服務(wù)端會將事件通知到感興趣的客戶端上去，該機制是 ZooKeeper 實現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)服務(wù)的重要特性。
Ⅵ.ACL
ZooKeeper 采用 ACL（AccessControlLists）策略來進行權(quán)限控制，類似于 UNIX 文件系統(tǒng)的權(quán)限控制。
ZooKeeper 定義了 5 種權(quán)限，如下圖：
其中尤其需要注意的是，CREATE 和 DELETE 這兩種權(quán)限都是針對子節(jié)點的權(quán)限控制。
三、ZooKeeper 特點
ZooKeeper 有哪些特點呢？具體如下：
- 順序一致性：從同一客戶端發(fā)起的事務(wù)請求，最終將會嚴(yán)格地按照順序被應(yīng)用到 ZooKeeper 中去。
- 原子性：所有事務(wù)請求的處理結(jié)果在整個集群中所有機器上的應(yīng)用情況是一致的，也就是說，要么整個集群中所有的機器都成功應(yīng)用了某一個事務(wù)，要么都沒有應(yīng)用。
- 單一系統(tǒng)映像：無論客戶端連到哪一個 ZooKeeper 服務(wù)器上，其看到的服務(wù)端數(shù)據(jù)模型都是一致的。
- 可靠性：一旦一次更改請求被應(yīng)用，更改的結(jié)果就會被持久化，直到被下一次更改覆蓋。
四、ZooKeeper 設(shè)計目標(biāo)
Ⅰ.簡單的數(shù)據(jù)模型
ZooKeeper 允許分布式進程通過共享的層次結(jié)構(gòu)命名空間進行相互協(xié)調(diào)，這與標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)類似。
名稱空間由 ZooKeeper 中的數(shù)據(jù)寄存器組成，稱為 Znode，這些類似于文件和目錄。
與為存儲設(shè)計的典型文件系統(tǒng)不同，ZooKeeper 數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，這意味著 ZooKeeper 可以實現(xiàn)高吞吐量和低延遲。
Ⅱ.可構(gòu)建集群
為了保證高可用，最好是以集群形態(tài)來部署 ZooKeeper，這樣只要集群中大部分機器是可用的（能夠容忍一定的機器故障），那么 ZooKeeper 本身仍然是可用的。
客戶端在使用 ZooKeeper 時，需要知道集群機器列表，通過與集群中的某一臺機器建立 TCP 連接來使用服務(wù)。
客戶端使用這個 TCP 鏈接來發(fā)送請求、獲取結(jié)果、獲取監(jiān)聽事件以及發(fā)送心跳包。如果這個連接異常斷開了，客戶端可以連接到另外的機器上。
ZooKeeper 官方提供的架構(gòu)圖：
上圖中每一個 Server 代表一個安裝 ZooKeeper 服務(wù)的服務(wù)器。組成 ZooKeeper 服務(wù)的服務(wù)器都會在內(nèi)存中維護當(dāng)前的服務(wù)器狀態(tài)，并且每臺服務(wù)器之間都互相保持著通信。
集群間通過 Zab 協(xié)議（Zookeeper Atomic Broadcast）來保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。
Ⅲ.順序訪問
對于來自客戶端的每個更新請求，ZooKeeper 都會分配一個全局唯一的遞增編號。
這個編號反應(yīng)了所有事務(wù)操作的先后順序，應(yīng)用程序可以使用 ZooKeeper 這個特性來實現(xiàn)更高層次的同步原語。這個編號也叫做時間戳—zxid（ZooKeeper Transaction Id）。
Ⅳ.高性能
ZooKeeper 是高性能的。在“讀”多于“寫”的應(yīng)用程序中尤其地高性能，因為“寫”會導(dǎo)致所有的服務(wù)器間同步狀態(tài)。（“讀”多于“寫”是協(xié)調(diào)服務(wù)的典型場景。）
六、ZooKeeper 集群角色介紹
最典型集群模式：Master/Slave 模式（主備模式）。在這種模式中，通常 Master 服務(wù)器作為主服務(wù)器提供寫服務(wù)，其他的 Slave 服務(wù)器從服務(wù)器通過異步復(fù)制的方式獲取 Master 服務(wù)器最新的數(shù)據(jù)提供讀服務(wù)。
但是，在 ZooKeeper 中沒有選擇傳統(tǒng)的 Master/Slave 概念，而是引入了Leader、Follower 和 Observer 三種角色。
如下圖所示：
ZooKeeper 集群中的所有機器通過一個 Leader 選舉過程來選定一臺稱為 “Leader” 的機器。
Leader 既可以為客戶端提供寫服務(wù)又能提供讀服務(wù)。除了 Leader 外，F(xiàn)ollower 和 Observer 都只能提供讀服務(wù)。
Follower 和 Observer 唯一的區(qū)別在于 Observer 機器不參與 Leader 的選舉過程，也不參與寫操作的“過半寫成功”策略，因此 Observer 機器可以在不影響寫性能的情況下提升集群的讀性能。
七、ZooKeeper & ZAB 協(xié)議 & Paxos 算法
Ⅰ.ZAB 協(xié)議 & Paxos 算法
Paxos 算法可以說是 ZooKeeper 的靈魂了。但是，ZooKeeper 并沒有完全采用 Paxos 算法 ，而是使用 ZAB 協(xié)議作為其保證數(shù)據(jù)一致性的核心算法。
另外，在 ZooKeeper 的官方文檔中也指出，ZAB 協(xié)議并不像 Paxos 算法那樣，是一種通用的分布式一致性算法，它是一種特別為 ZooKeeper 設(shè)計的崩潰可恢復(fù)的原子消息廣播算法。
Ⅱ.ZAB 協(xié)議介紹
ZAB（ZooKeeper Atomic Broadcast 原子廣播）協(xié)議是為分布式協(xié)調(diào)服務(wù) ZooKeeper 專門設(shè)計的一種支持崩潰恢復(fù)的原子廣播協(xié)議。
在 ZooKeeper 中，主要依賴 ZAB 協(xié)議來實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)一致性，基于該協(xié)議，ZooKeeper 實現(xiàn)了一種主備模式的系統(tǒng)架構(gòu)來保持集群中各個副本之間的數(shù)據(jù)一致性。
Ⅲ.ZAB 協(xié)議兩種基本的模式
ZAB 協(xié)議包括兩種基本的模式，分別是崩潰恢復(fù)和消息廣播。
當(dāng)整個服務(wù)框架在啟動過程中，或是當(dāng) Leader 服務(wù)器出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷、崩潰退出與重啟等異常情況時，ZAB 協(xié)議就會進入恢復(fù)模式并選舉產(chǎn)生新的 Leader 服務(wù)器。
當(dāng)選舉產(chǎn)生了新的 Leader 服務(wù)器，同時集群中已經(jīng)有過半的機器與該 Leader 服務(wù)器完成了狀態(tài)同步之后，ZAB 協(xié)議就會退出恢復(fù)模式。
其中，所謂的狀態(tài)同步是指數(shù)據(jù)同步，用來保證集群中存在過半的機器能夠和 Leader 服務(wù)器的數(shù)據(jù)狀態(tài)保持一致。
當(dāng)集群中已經(jīng)有過半的 Follower 服務(wù)器完成了和 Leader 服務(wù)器的狀態(tài)同步，那么整個服務(wù)框架就可以進人消息廣播模式了。
當(dāng)一臺同樣遵守 ZAB 協(xié)議的服務(wù)器啟動后加入到集群中時，如果此時集群中已經(jīng)存在一個 Leader 服務(wù)器在負(fù)責(zé)進行消息廣播。
那么新加入的服務(wù)器就會自覺地進人數(shù)據(jù)恢復(fù)模式：找到 Leader 所在的服務(wù)器，并與其進行數(shù)據(jù)同步，然后一起參與到消息廣播流程中去。
正如上文介紹中所說的，ZooKeeper 設(shè)計成只允許唯一的一個 Leader 服務(wù)器來進行事務(wù)請求的處理。
Leader 服務(wù)器在接收到客戶端的事務(wù)請求后，會生成對應(yīng)的事務(wù)提案并發(fā)起一輪廣播協(xié)議。
而如果集群中的其他機器接收到客戶端的事務(wù)請求，那么這些非 Leader 服務(wù)器會首先將這個事務(wù)請求轉(zhuǎn)發(fā)給 Leader 服務(wù)器。
八、總結(jié)
通過閱讀本文，想必大家已從以下這七點了解了 ZooKeeper：
- ZooKeeper 的由來
- ZooKeeper 到底是什么
- ZooKeeper 的一些重要概念（會話（Session）、Znode、版本、Watcher、ACL）
- ZooKeeper 的特點
- ZooKeeper 的設(shè)計目標(biāo)
- ZooKeeper 集群角色介紹（Leader、Follower 和 Observer 三種角色）
- ZooKeeper & ZAB 協(xié)議 & Paxos 算法
寫在最后
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