炒雞簡單的zookeeper初印象總結。單機安裝zookeeper集群請參考zookeeper安裝與偽集群配置。

數(shù)據(jù)結構

znode基本特性

zookeeper服務會維護一個具有層次關系的數(shù)據(jù)結構，類似于Linux文件系統(tǒng)。其中每一個節(jié)點稱為znode，如下圖所示：

zookeeper數(shù)據(jù)結構

每個znode包含三部分信息：

1. stat. 此為狀態(tài)信息, 描述該znode的版本, 權限等信息；
2. data. 與該znode關聯(lián)的數(shù)據(jù)；
3. children. 該znode下的子節(jié)點；

znode具有如下特性：

1. 每個znode的唯一標識是路徑；
2. 擁有兩種類型：永久節(jié)點(persistent)和臨時節(jié)點(ephemeral)；
   臨時節(jié)點：一旦創(chuàng)建這個 znode 的客戶端與服務器失去聯(lián)系，這個 znode 也將自動刪除，Zookeeper 的客戶端和服務器通信采用長連接方式，每個客戶端和服務器通過心跳來保持連接，這個連接狀態(tài)稱為 session，如果 znode 是臨時節(jié)點，這個 session 失效，znode 也就刪除了。臨時節(jié)點不能擁有子節(jié)點；
3. znode具有版本，也就是說一個節(jié)點可以存儲多份數(shù)據(jù)；
4. znode 的目錄名可以自動編號，如 App1 已經(jīng)存在，再創(chuàng)建的話，將會自動命名為 App2;
   不管是永久節(jié)點還是臨時節(jié)點，均可以在創(chuàng)建時指定參數(shù)-s使得多次創(chuàng)建相同名稱的節(jié)點時按照順序自動遞增（這類節(jié)點又可以稱為sequence節(jié)點）。
5. znode 可以被監(jiān)控，包括這個目錄節(jié)點中存儲的數(shù)據(jù)的修改，子節(jié)點目錄的變化等，一旦變化可以通知設置監(jiān)控的客戶端，這個是 Zookeeper 的核心特性，Zookeeper 的很多功能都是基于這個特性實現(xiàn)的。

znode狀態(tài)信息

1. czxid. 節(jié)點創(chuàng)建時的zxid；
2. mzxid. 節(jié)點最新一次更新發(fā)生時的zxid；
3. ctime. 節(jié)點創(chuàng)建時的時間戳；
4. mtime. 節(jié)點最新一次更新發(fā)生時的時間戳；
5. dataVersion. 節(jié)點數(shù)據(jù)的更新次數(shù)；
6. cversion. 其子節(jié)點的更新次數(shù)；
7. aclVersion. 節(jié)點ACL(授權信息)的更新次數(shù)；
8. ephemeralOwner. 如果該節(jié)點為ephemeral節(jié)點, ephemeralOwner值表示與該節(jié)點綁定的session id. 如果該節(jié)點不是ephemeral節(jié)點, ephemeralOwner值為0；
9. dataLength. 節(jié)點數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；
10. numChildren. 子節(jié)點個數(shù)；

zxid:
ZooKeeper狀態(tài)的每一次改變, 都對應著一個遞增的Transaction(事務) id, 該id稱為zxid. 由于zxid的遞增性質, 如果zxid1小于zxid2, 那么zxid1肯定先于zxid2發(fā)生. 創(chuàng)建任意節(jié)點, 或者更新任意節(jié)點的數(shù)據(jù), 或者刪除任意節(jié)點, 都會導致Zookeeper狀態(tài)發(fā)生改變, 從而導致zxid的值增加。

外在表現(xiàn)：分布式一致性

首先，通過一個簡單的演示來加深印象，在本機啟動了zk偽集群，啟動之后查看狀態(tài)時可以看到zoo1和zoo3是follwer的角色，zoo2是leader。zoo1對應的客戶端端口是2182，zoo2對應的端口是2183，zoo3對應的端口是2184。

zk偽集群

然后通過zkCli -server 127.0.0.1:2182 命令連上zoo1，并通過ls /命令查看其下的節(jié)點，發(fā)現(xiàn)只有一個zookeeper節(jié)點，然后此時通過create /test "測試"命令在根目錄下創(chuàng)建一個簡單的test節(jié)點，可以看到根目錄下出現(xiàn)了test節(jié)點。
接下來退出zoo1并連接到集群中另外一臺zoo2，可以看到zoo2下面也有test節(jié)點，同樣的zoo3也有，而且內(nèi)容一致，同樣，我在任意一臺刪除test節(jié)點之后，整個集群中所有服務都會刪除test節(jié)點。

zk數(shù)據(jù)一致性

內(nèi)部機制：選主與廣播

zookeeper集群中三種角色

1. 領導者（leader），負責進行投票的發(fā)起和決議，更新系統(tǒng)狀態(tài)
2. 學習者（learner），包括跟隨者（follower）和觀察者（observer），follower用于接受客戶端請求并想客戶端返回結果，在選主過程中參與投票
3. Observer可以接受客戶端連接，將寫請求轉發(fā)給leader，但observer不參加投票過程，只同步leader的狀態(tài)，observer的目的是為了擴展系統(tǒng)，提高讀取速度

zookeeper請求類型

對于exists，getData，getChildren等只讀請求，收到該請求的zk服務器將會在本地處理，因為每個服務器看到的數(shù)據(jù)結構內(nèi)容都是一致的，無所謂在哪臺機器上讀取數(shù)據(jù)，因此如果ZooKeeper集群的負載是讀多寫少，并且讀請求分布得均衡的話，效率是很高的。
對于create，setData，delete等有寫操作的請求，則需要統(tǒng)一轉發(fā)給leader處理，leader需要決定編號、執(zhí)行操作，這個過程稱為一個事務（transaction）。

選主過程

當zookeeper集群啟動或者leader崩潰額時候，zk進入恢復模式，開始進行選舉。
Zk的選舉算法有兩種：一種是基于basic paxos實現(xiàn)的，另外一種是基于fast paxos算法實現(xiàn)的。系統(tǒng)默認的選舉算法為fast paxos。

basic paxos流程：

1. 選舉線程由當前Server發(fā)起選舉的線程擔任，其主要功能是對投票結果進行統(tǒng)計，并選出推薦的Server；
2. 選舉線程首先向所有Server發(fā)起一次詢問(包括自己)；
3. 選舉線程收到回復后，驗證是否是自己發(fā)起的詢問(驗證zxid是否一致)，然后獲取對方的id(myid)，并存儲到當前詢問對象列表中，最后獲取對方提議的leader相關信息(id,zxid)，并將這些信息存儲到當次選舉的投票記錄表中；
4. 收到所有Server回復以后，就計算出zxid最大的那個Server，并將這個Server相關信息設置成下一次要投票的Server；
5. 線程將當前zxid最大的Server設置為當前Server要推薦的Leader，如果此時獲勝的Server獲得n/2 + 1的Server票數(shù)， 設置當前推薦的leader為獲勝的Server，將根據(jù)獲勝的Server相關信息設置自己的狀態(tài)，否則，繼續(xù)這個過程，直到leader被選舉出來。

通過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)目不得少于n+1.

fast paxos流程

fast paxos流程是在選舉過程中，某Server首先向所有Server提議自己要成為leader，當其它Server收到提議以后，解決epoch和 zxid的沖突，并接受對方的提議，然后向對方發(fā)送接受提議完成的消息，重復這個流程，最后一定能選舉出Leader。

接收工作流程

Leader主要有三個功能：

1. 恢復數(shù)據(jù)；
2. 維持與Learner的心跳，接收Learner請求并判斷Learner的請求消息類型；
3. Learner的消息類型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根據(jù)不同的消息類型，進行不同的處理。
   PING消息是指Learner的心跳信息；REQUEST消息是Follower發(fā)送的提議信息，包括寫請求及同步請求；ACK消息是 Follower的對提議的回復，超過半數(shù)的Follower通過，則commit該提議；REVALIDATE消息是用來延長SESSION有效時間。

Follower主要有四個功能：

1. 向Leader發(fā)送請求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
2. 接收Leader消息并進行處理；
3. 接收Client的請求，如果為寫請求，發(fā)送給Leader進行投票；
4. 返回Client結果。

Follower的消息循環(huán)處理如下幾種來自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：服務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結果，關閉待revalidate的session還是允許其接受消息；
6. SYNC消息：返回SYNC結果到客戶端，這個消息最初由客戶端發(fā)起，用來強制得到最新的更新。

本文參考文章：

1. ZooKeeper典型應用場景實踐。
2. zk常用命令。
3. zookeeper三種角色。
4. zookeeper原理與應用。