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概覽
ZooKeeper 是一種分布式、開源的協(xié)同服務(wù)。它暴露了一組簡單的原語，分布式應(yīng)用程序可以基于該原語組，實(shí)現(xiàn)更高級的服務(wù)，如同步、配置維護(hù)、組別和命名。它是一種編程友好型的設(shè)計(jì)，并采用大家熟悉的文件系統(tǒng)的目錄樹結(jié)構(gòu)作為數(shù)據(jù)模型，可以用 Java 運(yùn)行，也可以和 C 綁定。
協(xié)同服務(wù)很難正確運(yùn)行，經(jīng)常出現(xiàn)競爭危害和死鎖。ZooKeeper 的目的就是降低協(xié)同服務(wù)實(shí)現(xiàn)與維護(hù)的成本。
設(shè)計(jì)目標(biāo)
易用性，ZooKeeper 允許分布式進(jìn)程通過與標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)類似的共享層次命名空間互相協(xié)同。命名空間由數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)（znodes）組成，類似于文件與目錄。與專為存儲設(shè)計(jì)的典型文件系統(tǒng)不同，ZooKeeper的數(shù)據(jù)都保存在內(nèi)存中，以獲得高吞吐和低時延的特性。
ZooKeeper實(shí)現(xiàn)了高性能、高可用和嚴(yán)格有序。高性能意味著可以被應(yīng)用在大型分布式系統(tǒng)，高可用則避免了單點(diǎn)故障的風(fēng)險，嚴(yán)格有序保證了復(fù)雜的同步原語可以在客戶端實(shí)現(xiàn)。
可復(fù)制，就像它所協(xié)同的分布式進(jìn)程一樣，ZooKeeper 的組件也是可復(fù)制的。
構(gòu)成 ZooKeeper 服務(wù)的服務(wù)器必須互相感知，它們各自維護(hù)了一張相同的內(nèi)存狀態(tài)鏡像，以及持久存儲的事務(wù)日志與快照，只要大部分的服務(wù)器可用，ZooKeeper 的服務(wù)就可以正常運(yùn)行。
客戶端會維護(hù)與某一臺 ZooKeeper 服務(wù)器的 TCP 長連接，并通過該連接進(jìn)行請求發(fā)送，響應(yīng)接收，監(jiān)聽事件獲取與心跳檢測。如果當(dāng)前 TCP 長連接斷開，客戶端會向另一臺服務(wù)器發(fā)起連接請求。
有序性，ZooKeeper 為每一次更新標(biāo)記了一個序號，以反映所有事務(wù)的順序。后續(xù)操作可以使用該序號實(shí)現(xiàn)更高級的抽象，例如同步原語。
速度快，ZooKeeper 在“讀頻繁”工作流中表現(xiàn)非常快，在數(shù)千臺集群中運(yùn)行，讀寫比為 10:1 時，性能最好。
數(shù)據(jù)模型與層次命名空間
ZooKeeper 提供的命名空間類似于標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)，名稱是以斜杠(/)分隔的路徑元素序列。ZooKeeper 命名空間中的每個節(jié)點(diǎn)都有唯一的路徑標(biāo)識。
不同于標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)，ZooKeeper 命名空間中的每個節(jié)點(diǎn)都可以持有數(shù)據(jù)與子節(jié)點(diǎn)（文件亦是目錄）。ZooKeeper 被設(shè)計(jì)用于存儲協(xié)同數(shù)據(jù)，如狀態(tài)信息，配置，位置信息等，因此存儲在每個節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)量都比較小，一般不到1KB。接下來，我們采用術(shù)語 znode 表明我們正在談?wù)?ZooKeeper 中的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。
znode 維護(hù)一了個統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)，其中包含數(shù)據(jù)變更，ACL變更與時間戳的版本號，以允許緩存驗(yàn)證和協(xié)調(diào)更新。每次 znode 的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，它的版本號都會增加。例如，每當(dāng)客戶端檢索數(shù)據(jù)時，它也會收到該數(shù)據(jù)的版本信息。
命名空間中每個 znode 存儲的數(shù)據(jù)，都以原子方式進(jìn)行讀取與寫入。讀取將獲得該 znode 關(guān)聯(lián)的所有數(shù)據(jù)字節(jié)，寫入則替換所有數(shù)據(jù)。每個節(jié)點(diǎn)都有一個訪問控制列表（ACL），它限制誰可以做什么。
ZooKeeper 還提供了一種臨時節(jié)點(diǎn)，它們的生命周期取決于創(chuàng)建它們的會話（session），當(dāng)會話結(jié)束時，臨時節(jié)點(diǎn)將會被刪除。
條件更新與監(jiān)聽
ZooKeeper 支持監(jiān)聽功能?？蛻舳丝梢栽?znode 上設(shè)置一個監(jiān)聽器，當(dāng) znode 發(fā)生變更時，監(jiān)聽器將被觸發(fā)并移除，與此同時，客戶端將收到一個表示 znode 變更的數(shù)據(jù)包。此外，如果客戶端與 ZooKeeper 服務(wù)器的 TCP 連接斷開時，客戶端將收到一個本地通知。
保證
ZooKeeper 既簡單又快速，由于其目標(biāo)是提供基礎(chǔ)原語，以構(gòu)建更為復(fù)雜的服務(wù)，因此，它提供了一系列的保證。
順序一致性，客戶端的更新將按照他們發(fā)送的順序執(zhí)行；
原子性，更新成功或失敗，沒有中間狀態(tài)；
單一系統(tǒng)映像，無論客戶端連接的是哪一臺服務(wù)器，它們看到的服務(wù)視圖都是相同的；
可靠性，一旦更新成功，它將一直持續(xù)到被下一個客戶端更新覆蓋；
及時性，客戶端看到的系統(tǒng)視圖，在一定時間范圍內(nèi)保證是最新的。
簡單 API
ZooKeeper 的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是提供非常簡單的可編程接口，因此，它只提供如下操作：
創(chuàng)建(creat)，在目錄樹中某個位置創(chuàng)建一個節(jié)點(diǎn)；
刪除(delete)，刪除一個節(jié)點(diǎn)；
存在性檢查(exists)，測試節(jié)點(diǎn)是否存在于某個位置；
獲取數(shù)據(jù)(get data)，從節(jié)點(diǎn)中讀取數(shù)據(jù)；
設(shè)置數(shù)據(jù)(set data)，向節(jié)點(diǎn)中寫入數(shù)據(jù)；
獲取子節(jié)點(diǎn)(get children)，檢索節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)列表；
同步(sync)，等待數(shù)據(jù)傳播。
實(shí)現(xiàn)
下圖展示了 ZooKeeper 服務(wù)的高級組件。除了請求處理器之外，組成 ZooKeeper 服務(wù)的每個服務(wù)器都會對自身的組件進(jìn)行復(fù)制備份。
復(fù)制數(shù)據(jù)庫是包含完整數(shù)據(jù)樹的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，它將更新記錄到磁盤以獲取可恢復(fù)性，并將寫入數(shù)據(jù)也序列化到磁盤上，然后再更新內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。
每個 ZooKeeper 服務(wù)器都為客戶端提供服務(wù)。客戶端需要連接到一個服務(wù)器上，才能提交請求?？蛻舳说淖x請求，實(shí)際上是請求存儲在本地的服務(wù)端數(shù)據(jù)庫的備份。服務(wù)狀態(tài)更改請求與寫入請求則是通過一種[一致性協(xié)議]()處理。
一致性協(xié)議規(guī)定了所有客戶端寫請求都將被轉(zhuǎn)發(fā)至單個服務(wù)器，即領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)(Leader)。其他的 ZooKeeper 服務(wù)器被稱為 追隨者（Followers），它們接收來自 Leader 的消息提議，然后對消息的傳遞進(jìn)行表決。消息傳遞層負(fù)責(zé)將 Followers 同步給 Leader，并在 Leader 發(fā)生故障時暫代履責(zé)。
ZooKeeper 使用自定義的原子消息協(xié)議，由于消息層是原子的，因此可以保證 ZooKeeper 的本地副本不會發(fā)散（保持統(tǒng)一），當(dāng) Leader 收到寫請求時，它會計(jì)算寫請求執(zhí)行時的系統(tǒng)狀態(tài)是什么，并將其轉(zhuǎn)換成捕獲該新狀態(tài)的事務(wù)操作。
