Zookeeper学习系列【一】 教会你Zookeeper的一些基础概念

前言

最近加入了部门的技术兴趣小组，被分配了Zookeeper的研究任务。在研究过程当中，发现Zookeeper由于其开源的特性和其卓越的性能特点，在业界使用广泛，有很多的应用场景，而这些不同的应用场景实际上底层的原理都是差不多的，只要你真正理解了Zookeeper的一些基础概念和机制，就能够触类旁通。

于是乎，在第一次和项目小组内成员分享过Zookeeper作为服务注册中心的原理和客户端demo演示之后，我萌生出了整理一个专题的想法，以此为起点，慢慢捡起自己的博客分享之路。

本篇的内容主要介绍以下几点：

1. What is Zookeeper
2. Zookeeper 数据模型
3. Zookeeper 服务基本操作
4. Sessions
5. Watcher
6. 总结

一、What is Zookeeper

我最早接触Zookeeper是因为我们项目使用的微服务治理架构是Dubbo，Dubbo推荐使用的服务注册中心就是Zookeeper。从本质上来说，Zookeeper就是一种分布式协调服务，在分布式环境中协调和管理服务是一个复杂的过程。ZooKeeper通过其简单的架构和API解决了这个问题。 ZooKeeper允许开发人员专注于核心应用程序逻辑，而不必担心应用程序的分布式特性。Zookeeper最早的应用是在Hadoop生态中，Apache HBase使用ZooKeeper跟踪分布式数据的状态。

实际上从它的名字上就很好理解，Zoo - 动物园，Keeper - 管理员，动物园中有很多种动物，这里的动物就可以比作分布式环境下多种多样的服务，而Zookeeper做的就是管理这些服务。

ZooKeeper 的设计目标是将那些复杂且容易出错的分布式一致性服务封装起来，构成一个高效可靠的原语集，并以一系列简单易用的接口提供给用户使用。

原语： 操作系统或计算机网络用语范畴。是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。具有不可分割性·即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。

Zookeeper提供服务主要就是通过：数据结构 + 原语集 + watcher机制达到的。

分布式应用程序结合Zookeeper可以实现诸如 数据发布/订阅、负载均衡、命名服务、分布式协调/通知、集群管理、Master选举、分布式锁和分布式队列 等功能。

二、Zookeeper 数据模型

ZNode

从上图可以看到，Zookeeper的数据模型和Unix的文件系统目录树很类似，拥有一个层次的命名空间。这里面的每一个节点都被称为 - ZNode， 节点可以拥有子节点，同时也允许少量数据节点存储在该节点之下。（可以理解成一个允许一个文件也可以是一个目录的文件系统）

（1）节点引用方式

ZNode通过路径引用，如同Unix中的文件路径。路径必须是绝对的，因此他们必须有斜杠字符 / 来开头,除此之外，路径名必须是唯一的，且不能更改。

这个特性在Dubbo的服务注册上也有体现，Dubbo源码中有个贯穿全局的类 URL ，dubbo是以总线模式来时刻传递和保存配置信息的，也就是配置信息都被放在 URL 上进行传递，随时可以取得相关配置信息。Dubbo在向注册中心注册时写下的节点名就是由 URL 中的 URI 和配置信息编码后组成的。如下图。

这属于这部分知识的扩展内容，在之后服务注册中心的章节会更具体的说明。

（2）ZNode结构

前面提到过，ZNode兼具文件和目录两种特点，既像文件一样维护着数据、元信息、ACL、时间戳等数据结构，又像目录一样可以作为路径标识的一部分。

ZNode由以下几部分组成：

• Stat数据结构

  • 操作控制列表（ACL） - 每个节点都有一个ACL来做节点的操作控制，这个列表规定了用户的权限，限定了特定用户对目标节点的操作

    • CREATE - 创建子节点的权限
    • READ - 获取节点数据和子节点列表的权限
    • WRITE - 更新节点数据的权限
    • DELETE - 删除子节点的权限
    • ADMIN - 设置节点ACL的权限

  • 版本 - ZNode有三个数据版本

    • version - 当前ZNode的版本
    • cversion - 当前ZNode子节点的版本
    • aversion - 当前ACL列表的版本

  • Zxid

    • 可以理解成Zookeeper中 时间戳的一种表现形式 ，也可以理解成 事务ID 的概念
    • 如果Zxid1的值小于Zxid2的值，那么Zxid1所对应的事件发生在Zxid2所对应的事件之前。

    • ZooKeeper的每个节点维护者三个Zxid值，分别为： cZxid、mZxid、pZxid 。

      • cZxid ：节点创建时间 create
      • mZxid ：节点最近一次修改时间 modify
      • pZxid ：该节点的子节点列表最后一次被修改时的时间，子节点内容变更不会变更pZxid
• data域
• children节点

下面有几个需要注意的知识点着重讲一下：

A. 状态信息/节点属性

下图是我在服务器上使用zkClient，用get命令获取到的某个Dubbo微服务接口节点的状态信息，来作为示例，

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] get /dubbo/com.***.microservice.ucs.api.UniqueControlApi
127.0.0.1 // 节点数据Data域
cZxid = 0xdd59  //Created ZXID,表示该ZNode被创建时的事务ID
ctime = Thu Apr 18 15:17:11 CST 2019 //Created Time,表示该ZNode被创建的时间
mZxid = 0xdd59 //Modified ZXID，表示该ZNode最后一次被更新时的事务ID
mtime = Thu Apr 18 15:17:11 CST 2019 //Modified Time，表示该节点最后一次被更新的时间
pZxid = 0xdd62 //表示该节点的子节点列表最后一次被修改时的事务ID。注意，只有子节点列表变更了才会变更pZxid，子节点内容变更不会影响pZxid。
cversion = 4  //子节点的版本号
dataVersion = 0 //数据节点版本号
aclVersion = 0 //ACL版本号
ephemeralOwner = 0x0  //创建该节点的会话的sessionID。如果该节点是持久节点，那么这个属性值为0。
dataLength = 9 // Data域内容长度 
numChildren = 4 // 子节点个数 众所周知，Dubbo接口子节点分为providers/configurators/routers/consumers

B. Data域

关于Data域，Zookeeper中每个节点存储的数据要被 原子性的操作 ,也就是说读操作将获取与节点相关的所有数据，写操作也将替换掉节点的所有数据。

值得注意的是，Zookeeper虽然可以存储数据，但是 从设计目的上，并不是为了做数据库或者大数据存储，相反，它是用来管理调度数据，比如分布式应用中的配置文件信息、状态信息、汇集位置等 ，这些数据通常是很小的数据，KB为大小单位。ZNode对数据大小也有限制，至多1M。实际上从这里，就可以推导出Zookeeper用于分布式配置中心的可行性。

C. Zxid

在ZooKeeper中， 能改变ZooKeeper服务器状态的操作称为事务操作。一般包括数据节点创建与删除、数据内容更新和客户端会话创建与失效等操作 。对应每一个事务请求，ZooKeeper都会为其分配一个全局唯一的 事务ID ，用Zxid表示。

由上图的示例可以看出，Zxid是一个64位的数字。 前32位 叫做epoch，用来 标识Zookeeper 集群中的 Leader 节点，当 Leader 节点更换时，就会有一个新的epoch 。 后32位 则为递增序列。从这些Zxid中可以间接地识别出ZooKeeper处理这些事务操作请求的全局顺序。

（3）节点类型

ZNode节点类型严格来说有四种： 持久节点、临时节点、持久顺序节点、临时顺序节点

• PERSISTENT 持久节点 - 该节点的生命周期不依赖于session，创建之后客户端断开连接，节点依旧存在，只用客户端执行删除操作，节点才能被删除；
• EPHEMERAL 临时节点 - 该节点的声明周期依赖于session，客户端断开连接，临时节点就会自动删除。另外， 临时节点不允许有子节点。
• SEQUENTIAL 顺序节点 - 当选择创建顺序节点时，ZooKeeper通过将10位的序列号附加到原始名称来设置znode的路径。例如，如果将具有路径 /myapp 的znode创建为顺序节点，则ZooKeeper会将路径更改为 /myapp0000000001 ，并将下一个序列号设置为 0000000002 。如果两个顺序节点是同时创建的，那么ZooKeeper不会对每个znode使用相同的数字。 顺序节点在锁定和同步中起重要作用。

三、Zookeeper服务基本操作

如上图，标明了Zookeeper服务的九种基本操作，进入 ZkClient.sh ，使用 help ，可以看到这几种操作。

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] help   
ZooKeeper -server host:port cmd args
    stat path [watch] // 获取指定节点的状态信息
    set path data [version] // setData操作
    ls path [watch] // 查看某个节点下的所有子节点信息
    delquota [-n|-b] path // 删除节点配额
    ls2 path [watch] // ls + stat 两个命令结合
    setAcl path acl // 设置ACL
    setquota -n|-b val path // 设置节点配额，-n 是限制子节点个数 -b是限制节点数据长度
    history // 历史命令
    redo cmdno // 执行历史命令
    printwatches on|off
    delete path [version] // 删除指定路径节点，有子节点需要先删除子节点
    sync path // 同步视图
    listquota path // 查看节点配额信息
    rmr path // 删除节点及其子节点
    get path [watch] // 获取当前节点数据内容
    create [-s] [-e] path data acl // 创建节点
    addauth scheme auth
    quit 
    getAcl path // 获取ACL
    close 
    connect host:port

从命令中可以看到，更新ZooKeeper操作是 有限制的。delete或setData必须明确要更新的Znode的版本号 ，我们可以调用exists找到。 如果版本号不匹配，更新将会失败 。

更新ZooKeeper操作是 非阻塞式的 。因此客户端如果失去了一个更新(由于另一个进程在同时更新这个Znode)，他可以在不阻塞其他进程执行的情况下，选择重新尝试或进行其他操作。

四、Sessions

在 ZooKeeper 中，一个客户端连接是指客户端和服务器之间的一个 TCP 长连接 。客户端启动的时候，首先会与服务器建立一个 TCP 连接，从第一次连接建立开始，客户端会话的生命周期也开始了。 通过这个连接，客户端能够通过心跳检测与服务器保持有效的会话，也能够向Zookeeper服务器发送请求并接受响应，同时还能够通过该连接接收来自服务器的Watch事件通知。

客户端以特定的时间间隔发送心跳以保持会话有效。如果ZooKeeper Server Ensembles在超过服务器开启时指定的期间（会话超时）都没有从客户端接收到心跳，则它会判定客户端死机。

会话超时通常以毫秒为单位。当会话由于任何原因结束时，在该会话期间创建的临时节点也会被删除。

五、Watches

在我看来， Watches - 监听事件 ，是Zookeeper中一个很重要的特性，也是实现Zookeeper大多数功能的核心特性之一。简单来说， Zookeeper允许Client端在指定节点上注册Watches，在某些特定事件触发的时候，Zookeeper服务端会将事件 异步 通知到感兴趣（即注册了Watches）的客户端上去 。可以理解成一个订阅/发布系统，是不是。

Znode更改是与znode相关的数据的修改或znode的子项中的更改。只触发一次watches。如果客户端想要再次通知，则必须通过另一个读取操作来完成。当连接会话过期时，客户端将与服务器断开连接，相关的watches也将被删除。

下面说完简单的，来说点复杂的部分。

几个特性先了解下：

• One-time trigger 一次watch时间只会被触发一遍，如果节点再次发生变化，除非之前有重新设置过watches，不然会收到通知；
• Sent to Client 当watch的对象状态发生改变时，将会触发此对象上watch所对应的事件。watch事件将被异步地发送给客户端，并且ZooKeeper为watch机制提供了 有序的一致性保证(Ordering guarantee) 。
• The data for which the watch was set 发送给客户端的数据信息，实际上就是你这个watch监视的类型，见下文介绍

Zookeeper的Watches 分为两种， 数据监听器（Data Watches）和子节点监听器（Children Watches） 。即你可以对某个节点的Data设置watches，也可以对某个子节点设置watches。

可以看下Zookeeper Java 客户端 Zkclient 中的设置watches的代码:

// listener 监听器
// path 节点路径

// 子节点监听器
private List<String> addTargetChildListener(String path, IZkChildListener listener) {
    return client.subscribeChildChanges(path, listener);
}

// 节点数据的监听器
public void addChildDataListener(String path, IZkDataListener listener) {
    try {
        // 递归创建节点
        client.subscribeDataChanges(path, listener);
    } catch (ZkNodeExistsException e) {
    }
}

作为开发者，需要知道监控节点的什么操作会触发你设置的watches。

1. 一个成功的setData操作将触发Znode的数据watches
2. 一个成功的create操作将触发Znode的数据watches以及子节点watches
3. 一个成功的delete操作将触发Znode的数据watches和子节点watches

再看下ZkClient中的数据监听器接口 IZkDataListener

public interface IZkDataListener {
    // 监控节点数据更新的时候会触发 这段逻辑
    public void handleDataChange(String dataPath, Object data) throws Exception;
    // 监控节点被删除的时候会触发 这段逻辑
    public void handleDataDeleted(String dataPath) throws Exception;
}

再看下ZkClient中的子节点监听器接口 IZkChildListener

public interface IZkChildListener {

    /**
     * Called when the children of the given path changed.
     * 监控节点的子节点列表改变时会触发这段逻辑
     * 
     * @param parentPath
     *            The parent path
     * @param currentChilds
     *            The children or null if the root node (parent path) was deleted.
     * @throws Exception
     */
    public void handleChildChange(String parentPath, List<String> currentChilds) throws Exception;
}

实际上看到这就能联想到，Zookeeper是可以当做分布式配置中心来使用的，只不过你需要自己扩展他异步通知节点数据变化之后的逻辑，更新你的配置。在后面的章节会更新相关demo。

关于Watches 详细介绍可以参考官网的介绍：

六、 总结

本章内容算是Zookeeper系列的开篇，介绍了Zookeeper的几个基础概念，并且给出了相关实例，助于理解。

现在我们再回过头来看看Zookeeper的特性：

今天的内容中， 顺序一致性 是通过ZXid来实现的，全局唯一，顺序递增，同一个session中请求是FIFO的； 可靠性 的描述也可以通过今天的知识进行理解，一次事务的应用，服务端状态的变更会以Zxid、Znode数据版本、数据、节点路径的形式保存下来。剩下的几种特性是怎么实现的，在学习完Zookeeper集群相关的内容之后应该就能理解。

本篇文章中借鉴了网上几篇优秀的文章，并且结合了我本人一些思考和实践。希望能对你学习了解Zookeeper起到一些帮助。

下一章，我会介绍Zookeeper集群方面的知识， CAP 理论在Zookeeper中的实践，以及如何搭建Zookeeper的集群。

参考

[1] https://zookeeper.apache.org/... 官方文档（强烈推荐）

[2] https://www.cnblogs.com/sundd... 作者应该是对官方文档有比较深的了解，我发现他的文章的脉络和官网有很相似的地方。写的非常好

[3] https://www.jianshu.com/p/a17... 作者对Zookeeper做了一个易懂的总体介绍

[4] https://www.w3cschool.cn/zook... w3cSchool tutorial 加粗文字