ZooKeeper原理及使用

ZooKeeper是Hadoop Ecosystem中很是重要的組件，它的主要功能是爲分佈式系統提供一致性協調(Coordination)服務，與之對應的Google的相似服務叫Chubby。今天這篇文章分爲三個部分來介紹ZooKeeper，第一部分介紹ZooKeeper的基本原理，第二部分介紹ZooKeeper提供的Client API的使用，第三部分介紹一些ZooKeeper典型的應用場景。

ZooKeeper基本原理

1. 數據模型

如上圖所示，ZooKeeper數據模型的結構與Unix文件系統很相似，總體上能夠看做是一棵樹，每一個節點稱作一個ZNode。每一個ZNode均可以經過其路徑惟一標識，好比上圖中第三層的第一個ZNode, 它的路徑是/app1/c1。在每一個ZNode上可存儲少許數據(默認是1M, 能夠經過配置修改, 一般不建議在ZNode上存儲大量的數據)，這個特性很是有用，在後面的典型應用場景中會介紹到。另外，每一個ZNode上還存儲了其Acl信息，這裏須要注意，雖然說ZNode的樹形結構跟Unix文件系統很相似，可是其Acl與Unix文件系統是徹底不一樣的，每一個ZNode的Acl的獨立的，子結點不會繼承父結點的，關於ZooKeeper中的Acl能夠參考以前寫過的一篇文章《說說Zookeeper中的ACL》。

2.重要概念 
2.1 ZNode
前文已介紹了ZNode, ZNode根據其自己的特性，能夠分爲下面兩類：

• Regular ZNode: 常規型ZNode, 用戶須要顯式的建立、刪除
• Ephemeral ZNode: 臨時型ZNode, 用戶建立它以後，能夠顯式的刪除，也能夠在建立它的Session結束後，由ZooKeeper Server自動刪除

ZNode還有一個Sequential的特性，若是建立的時候指定的話，該ZNode的名字後面會自動Append一個不斷增長的SequenceNo。

2.2 Session
Client與ZooKeeper之間的通訊，須要建立一個Session，這個Session會有一個超時時間。由於ZooKeeper集羣會把Client的Session信息持久化，因此在Session沒超時以前，Client與ZooKeeper Server的鏈接能夠在各個ZooKeeper Server之間透明地移動。

在實際的應用中，若是Client與Server之間的通訊足夠頻繁，Session的維護就不須要其它額外的消息了。不然，ZooKeeper Client會每t/3 ms發一次心跳給Server，若是Client 2t/3 ms沒收到來自Server的心跳回應，就會換到一個新的ZooKeeper Server上。這裏t是用戶配置的Session的超時時間。

2.3 Watcher
ZooKeeper支持一種Watch操做，Client能夠在某個ZNode上設置一個Watcher，來Watch該ZNode上的變化。若是該ZNode上有相應的變化，就會觸發這個Watcher，把相應的事件通知給設置Watcher的Client。須要注意的是，ZooKeeper中的Watcher是一次性的，即觸發一次就會被取消，若是想繼續Watch的話，須要客戶端從新設置Watcher。這個跟epoll裏的oneshot模式有點相似。

3. ZooKeeper特性 
3.1 讀、寫(更新)模式
在ZooKeeper集羣中，讀能夠從任意一個ZooKeeper Server讀，這一點是保證ZooKeeper比較好的讀性能的關鍵；寫的請求會先Forwarder到Leader，而後由Leader來經過ZooKeeper中的原子廣播協議，將請求廣播給全部的Follower，Leader收到一半以上的寫成功的Ack後，就認爲該寫成功了，就會將該寫進行持久化，並告訴客戶端寫成功了。

3.2 WAL和Snapshot
和大多數分佈式系統同樣，ZooKeeper也有WAL(Write-Ahead-Log)，對於每個更新操做，ZooKeeper都會先寫WAL, 而後再對內存中的數據作更新，而後向Client通知更新結果。另外，ZooKeeper還會按期將內存中的目錄樹進行Snapshot，落地到磁盤上，這個跟HDFS中的FSImage是比較相似的。這麼作的主要目的，一固然是數據的持久化，二是加快重啓以後的恢復速度，若是所有經過Replay WAL的形式恢復的話，會比較慢。

3.3 FIFO
對於每個ZooKeeper客戶端而言，全部的操做都是遵循FIFO順序的，這一特性是由下面兩個基本特性來保證的：一是ZooKeeper Client與Server之間的網絡通訊是基於TCP，TCP保證了Client/Server之間傳輸包的順序；二是ZooKeeper Server執行客戶端請求也是嚴格按照FIFO順序的。

3.4 Linearizability
在ZooKeeper中，全部的更新操做都有嚴格的偏序關係，更新操做都是串行執行的，這一點是保證ZooKeeper功能正確性的關鍵。

ZooKeeper Client API

ZooKeeper Client Library提供了豐富直觀的API供用戶程序使用，下面是一些經常使用的API：

• create(path, data, flags): 建立一個ZNode, path是其路徑，data是要存儲在該ZNode上的數據，flags經常使用的有: PERSISTEN, PERSISTENT_SEQUENTAIL, EPHEMERAL, EPHEMERAL_SEQUENTAIL
• delete(path, version): 刪除一個ZNode，能夠經過version刪除指定的版本, 若是version是-1的話，表示刪除全部的版本
• exists(path, watch): 判斷指定ZNode是否存在，並設置是否Watch這個ZNode。這裏若是要設置Watcher的話，Watcher是在建立ZooKeeper實例時指定的，若是要設置特定的Watcher的話，能夠調用另外一個重載版本的exists(path, watcher)。如下幾個帶watch參數的API也都相似
• getData(path, watch): 讀取指定ZNode上的數據，並設置是否watch這個ZNode
• setData(path, watch): 更新指定ZNode的數據，並設置是否Watch這個ZNode
• getChildren(path, watch): 獲取指定ZNode的全部子ZNode的名字，並設置是否Watch這個ZNode
• sync(path): 把全部在sync以前的更新操做都進行同步，達到每一個請求都在半數以上的ZooKeeper Server上生效。path參數目前沒有用
• setAcl(path, acl): 設置指定ZNode的Acl信息
• getAcl(path): 獲取指定ZNode的Acl信息

ZooKeeper典型應用場景

1. 名字服務(NameService) 
分佈式應用中，一般須要一套完備的命令機制，既能產生惟一的標識，又方便人識別和記憶。 咱們知道，每一個ZNode均可以由其路徑惟一標識，路徑自己也比較簡潔直觀，另外ZNode上還能夠存儲少許數據，這些都是實現統一的NameService的基礎。下面以在HDFS中實現NameService爲例，來講明實現NameService的基本布驟:

• 目標：經過簡單的名字來訪問指定的HDFS機羣
• 定義命名規則：這裏要作到簡潔易記憶。下面是一種可選的方案： [serviceScheme://][zkCluster]-[clusterName]，好比hdfs://lgprc-example/表示基於lgprc ZooKeeper集羣的用來作example的HDFS集羣
• 配置DNS映射: 將zkCluster的標識lgprc經過DNS解析到對應的ZooKeeper集羣的地址
• 建立ZNode: 在對應的ZooKeeper上建立/NameService/hdfs/lgprc-example結點，將HDFS的配置文件存儲於該結點下
• 用戶程序要訪問hdfs://lgprc-example/的HDFS集羣，首先經過DNS找到lgprc的ZooKeeper機羣的地址，而後在ZooKeeper的/NameService/hdfs/lgprc-example結點中讀取到HDFS的配置，進而根據獲得的配置，獲得HDFS的實際訪問入口

2. 配置管理(Configuration Management) 
在分佈式系統中，常會遇到這樣的場景: 某個Job的不少個實例在運行，它們在運行時大多數配置項是相同的，若是想要統一改某個配置，一個個實例去改，是比較低效，也是比較容易出錯的方式。經過ZooKeeper能夠很好的解決這樣的問題，下面的基本的步驟：

• 將公共的配置內容放到ZooKeeper中某個ZNode上，好比/service/common-conf
• 全部的實例在啓動時都會傳入ZooKeeper集羣的入口地址，而且在運行過程當中Watch /service/common-conf這個ZNode
• 若是集羣管理員修改了了common-conf，全部的實例都會被通知到，根據收到的通知更新本身的配置，並繼續Watch /service/common-conf

3. 組員管理(Group Membership) 
在典型的Master-Slave結構的分佈式系統中，Master須要做爲「總管」來管理全部的Slave, 當有Slave加入，或者有Slave宕機，Master都須要感知到這個事情，而後做出對應的調整，以便不影響整個集羣對外提供服務。以HBase爲例，HMaster管理了全部的RegionServer，當有新的RegionServer加入的時候，HMaster須要分配一些Region到該RegionServer上去，讓其提供服務；當有RegionServer宕機時，HMaster須要將該RegionServer以前服務的Region都從新分配到當前正在提供服務的其它RegionServer上，以便不影響客戶端的正常訪問。下面是這種場景下使用ZooKeeper的基本步驟：

• Master在ZooKeeper上建立/service/slaves結點，並設置對該結點的Watcher
• 每一個Slave在啓動成功後，建立惟一標識本身的臨時性(Ephemeral)結點/service/slaves/${slave_id}，並將本身地址(ip/port)等相關信息寫入該結點
• Master收到有新子結點加入的通知後，作相應的處理
• 若是有Slave宕機，因爲它所對應的結點是臨時性結點，在它的Session超時後，ZooKeeper會自動刪除該結點
• Master收到有子結點消失的通知，作相應的處理

4. 簡單互斥鎖(Simple Lock) 
咱們知識，在傳統的應用程序中，線程、進程的同步，均可以經過操做系統提供的機制來完成。可是在分佈式系統中，多個進程之間的同步，操做系統層面就無能爲力了。這時候就須要像ZooKeeper這樣的分佈式的協調(Coordination)服務來協助完成同步，下面是用ZooKeeper實現簡單的互斥鎖的步驟，這個能夠和線程間同步的mutex作類比來理解：

• 多個進程嘗試去在指定的目錄下去建立一個臨時性(Ephemeral)結點 /locks/my_lock
• ZooKeeper能保證，只會有一個進程成功建立該結點，建立結點成功的進程就是搶到鎖的進程，假設該進程爲A
• 其它進程都對/locks/my_lock進行Watch
• 當A進程再也不須要鎖，能夠顯式刪除/locks/my_lock釋放鎖；或者是A進程宕機後Session超時，ZooKeeper系統自動刪除/locks/my_lock結點釋放鎖。此時，其它進程就會收到ZooKeeper的通知，並嘗試去建立/locks/my_lock搶鎖，如此循環反覆

5. 互斥鎖(Simple Lock without Herd Effect) 
上一節的例子中有一個問題，每次搶鎖都會有大量的進程去競爭，會形成羊羣效應(Herd Effect)，爲了解決這個問題，咱們能夠經過下面的步驟來改進上述過程：

• 每一個進程都在ZooKeeper上建立一個臨時的順序結點(Ephemeral Sequential) /locks/lock_${seq}
• ${seq}最小的爲當前的持鎖者(${seq}是ZooKeeper生成的Sequenctial Number)
• 其它進程都對只watch比它次小的進程對應的結點，好比2 watch 1, 3 watch 2, 以此類推
• 當前持鎖者釋放鎖後，比它次大的進程就會收到ZooKeeper的通知，它成爲新的持鎖者，如此循環反覆

這裏須要補充一點，一般在分佈式系統中用ZooKeeper來作Leader Election(選主)就是經過上面的機制來實現的，這裏的持鎖者就是當前的「主」。

6. 讀寫鎖(Read/Write Lock) 
咱們知道，讀寫鎖跟互斥鎖相比不一樣的地方是，它分紅了讀和寫兩種模式，多個讀能夠併發執行，但寫和讀、寫都互斥，不能同時執行行。利用ZooKeeper，在上面的基礎上，稍作修改也能夠實現傳統的讀寫鎖的語義，下面是基本的步驟:

• 每一個進程都在ZooKeeper上建立一個臨時的順序結點(Ephemeral Sequential) /locks/lock_${seq}
• ${seq}最小的一個或多個結點爲當前的持鎖者，多個是由於多個讀能夠併發
• 須要寫鎖的進程，Watch比它次小的進程對應的結點
• 須要讀鎖的進程，Watch比它小的最後一個寫進程對應的結點
• 當前結點釋放鎖後，全部Watch該結點的進程都會被通知到，他們成爲新的持鎖者，如此循環反覆

7. 屏障(Barrier) 
在分佈式系統中，屏障是這樣一種語義: 客戶端須要等待多個進程完成各自的任務，而後才能繼續往前進行下一步。下用是用ZooKeeper來實現屏障的基本步驟：

• Client在ZooKeeper上建立屏障結點/barrier/my_barrier，並啓動執行各個任務的進程
• Client經過exist()來Watch /barrier/my_barrier結點
• 每一個任務進程在完成任務後，去檢查是否達到指定的條件，若是沒達到就啥也不作，若是達到了就把/barrier/my_barrier結點刪除
• Client收到/barrier/my_barrier被刪除的通知，屏障消失，繼續下一步任務

8. 雙屏障(Double Barrier)
雙屏障是這樣一種語義: 它能夠用來同步一個任務的開始和結束，當有足夠多的進程進入屏障後，纔開始執行任務；當全部的進程都執行完各自的任務後，屏障才撤銷。下面是用ZooKeeper來實現雙屏障的基本步驟：

• 進入屏障：

   

• Client Watch /barrier/ready結點, 經過判斷該結點是否存在來決定是否啓動任務
• 每一個任務進程進入屏障時建立一個臨時結點/barrier/process/${process_id}，而後檢查進入屏障的結點數是否達到指定的值，若是達到了指定的值，就建立一個/barrier/ready結點，不然繼續等待
• Client收到/barrier/ready建立的通知，就啓動任務執行過程

• 離開屏障：

   

• Client Watch /barrier/process，若是其沒有子結點，就能夠認爲任務執行結束，能夠離開屏障
• 每一個任務進程執行任務結束後，都須要刪除本身對應的結點/barrier/process/${process_id}