分布式协调服务zookeeper总结

1.zookeeper简介

1.1简介

Zookeeper是一个分布式协调服务，换言之，就是为用户的分布式应用程序提供协调服务

• zookeeper是为别的分布式程序服务的
• Zookeeper本身就是一个分布式程序（只要有半数以上节点存活，zk就能正常服务）
• Zookeeper所提供的服务涵盖：主从协调、服务器节点动态上下线、统一配置管理、分布式共享锁、统一名称服务
• 虽然说可以提供各种服务，但是zookeeper在底层其实只提供了两个功能（管理数据和监听数据）：
  管理(存储，读取)用户程序提交的数据；
  并为用户程序提供数据节点监听服务；

  1.2 Zookeeper集群的角色： Leader 和 follower

  Zookeeper在配置文件中并没有指定master和slave，启动之后通过内部的选举机制选举出leader和follower，而且只有一个leader，其他则为follower。zookeeper集群中只要有半数以上节点存活，集群就能提供服务。
  2.zookeeper集群机制
  半数机制：集群中半数以上机器存活，集群可用。
  zookeeper适合装在奇数台机器上！！！

  2.zookeeper安装与配置

  2.1zookeeper安装

• 安装到3台虚拟机上（需要提前安装好JDK）
  将zookeeper压缩包上传至/apps/package目录并解压

  tar -zxvf zookeeper-3.4.5.tar.gz

• 重命名

  mv zookeeper-3.4.5 zookeeper（重命名文件夹zookeeper-3.4.5为zookeeper）

• 修改环境变量

  vi /etc/profile
  添加内容：
  export ZOOKEEPER_HOME=/apps/package/zookeeper
  export PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin:$ZOOKEEPER_HOME/bin

• 重新编译文件：
  source /etc/profile
  三台机器都需要修改

  2.2 修改配置文件

• 先复制一份
  cd zookeeper/conf
  cp zoo_sample.cfg zoo.cfg

• 编辑
  vi zoo.cfg

  添加内容：
  dataDir=/apps/package/zookeeper/data
  dataLogDir=/apps/package/zookeeper/log
  server.1=mini1:2888:3888
  server.2=mini2:2888:3888
  server.3=mini3:2888:3888

• 创建文件夹：

  cd /apps/package/zookeeper
  mkdir -m 755 data
  mkdir -m 755 log

• 在data文件夹下新建myid文件，myid的文件内容为：

  cd data
  vi myid
  添加内容：
  1

mini2和mini3服务器的请修改成2,3，将来会按这个myid选中出leader和follow。

• 将集群复制到其他机器上

  scp -r /apps/package/zookeeper root@mini2:/apps/package/
  scp -r /apps/package/zookeeper root@mini3:/apps/package/

如果在mini1中ping不通mini2和mini3,需要在hosts文件中配置mini2和mini3的ip地址

• 修改其他机器的配置文件
  到mini2上：修改myid为：2
  到mini3上：修改myid为：3
  而且/etc/profile的路径也不要忘了修改

• 启动（每台机器）

  zkServer.sh start
  zkServer.sh start-foreground(可以看到启动日志)

• 查看集群状态

  jps（查看进程）
  zkServer.sh status（查看集群状态，主从信息）

如果报端口占用，参考下面链接解决：http://blog.csdn.net/u014686180/article/details/51767863

3.zookeeper数据结构和常用操作

3.1zookeeper特性

• Zookeeper：一个leader，多个follower组成的集群
• 全局数据一致：每个server保存一份相同的数据副本，client无论连接到哪个server，数据都是一致的
• 分布式读写，更新请求转发，由leader实施
• 更新请求顺序进行，来自同一个client的更新请求按其发送顺序依次执行
• 数据更新原子性，一次数据更新要么成功，要么失败
• 实时性，在一定时间范围内，client能读到最新数据

  3.2zookeeper数据结构

• 层次化的目录结构;
• 每个节点在zookeeper中叫做znode,并且其有一个唯一的路径标识;
• 节点Znode可以包含数据和子节点（但是EPHEMERAL类型的节点不能有子节点）;
• 客户端应用可以在节点上设置监视器。

  3.3节点类型

• Znode有两种类型：
  短暂（ephemeral）（断开连接自己删除）
  持久（persistent）（断开连接不删除）
• Znode有四种形式的目录节点（默认是persistent ）
  PERSISTENT
  PERSISTENT_SEQUENTIAL（持久序列/test0000000019 ）
  EPHEMERAL
  EPHEMERAL_SEQUENTIAL
• 创建znode时设置顺序标识，znode名称后会附加一个值，顺序号是一个单调递增的计数器，由父节点维护
• 在分布式系统中，顺序号可以被用于为所有的事件进行全局排序，这样客户端可以通过顺序号推断事件的顺序

  3.4使用客户端操作节点

• 使用命令连接zookeeper服务端：

  zkCli.sh -主机名(ip):2181
  如：zkCli.sh -mini2:2181

• 使用 ls 命令来查看当前 ZooKeeper 中所包含的内容：

   ls /

• 创建一个新的 znode ，使用 create /zk myData 。这个命令创建了一个新的 znode 节点“ zk ”以及与它关联的字符串：

  create /zk "myData“

• 我们运行 get 命令来确认 znode 是否包含我们所创建的字符串：

  get /zk

-监听这个节点的变化,当另外一个客户端改变/zk时,输出监听到的变化

get /zk watch

• 使用set 命令来对 zk 所关联的字符串进行设置：

  set /zk "zsl“

• 使用delete删除 znode 节点：

  delete /zk

• 删除节点(与上面的区别是这个可以删除目录)：rmr

  rmr /zk

参考文档：http://www.cnblogs.com/likehua/tag/zookeeper/

4.使用java操作zookeeper的api

• 首先需要引入zookeeper的jar包，这个jar包需要依赖其它的jar，可以直接到maven仓库下载。

  <dependency>
      <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
      <artifactId>zookeeper</artifactId>
      <version>3.4.10</version>
      <type>pom</type>
  </dependency>

• 常用的增删查改api操作如下：
  create 在目录树中创建一个节点
  delete 删除一个节点
  exists 测试是否存在目标节点
  get/set data 从目标节点上读取 / 更新数据
  get/set ACL 获取 / 设置目标节点访问控制列表信息
  get children 检索一个子节点上的列表
  sync 等待要被传送的数据
  使用java操作代码如下：

  public class SimpleZkClient {
      private static final String CONNECT_URL = "mini1:2181,mini2:2181,mini3:2181";
  
      private static final int SESSION_TIME_OUT = 2000;
  
      ZooKeeper zkCli = null;
      @Before
      public void init() throws Exception{
          zkCli = new ZooKeeper(CONNECT_URL, SESSION_TIME_OUT, new Watcher() {
              @Override
              public void process(WatchedEvent event) {
                  System.out.println(event.getType()+"-----------"+event.getPath());
                  try{
                      zkCli.getChildren("/", true);
                  }catch (Exception e){
  
                  }
  
              }
          });
      }
  
      /**
       * @Description 添加节点数据
       * @Author 刘俊重
       */
      @Test
      public void create() throws Exception{
          // 参数1：要创建的节点的路径 参数2：节点大数据 参数3：节点的权限 参数4：节点的类型。上传的数据可以是任何类型，但都要转成byte[]
          String s = zkCli.create("/zk", "test".getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
      }
  
      /**
       * @Description 判断节点是否存在
       * @Author 刘俊重
       */
      @Test
      public void isExist() throws Exception{
          Stat exists = zkCli.exists("/zk", false);
          System.out.println(null==exists?"不存在":"存在");
      }
  
      /**
       * @Description 获取节点数据
       * @Author 刘俊重
       */
      @Test
      public void getData() throws Exception{
          byte[] data = zkCli.getData("/zk", false, null);
          System.out.println("节点数据："+new String(data));
      }
  
      /**
       * @Description 遍历节点数据
       * @Author 刘俊重
       */
      @Test
      public void getChildren() throws  Exception{
          List<String> children = zkCli.getChildren("/", false);
          for(String s : children){
              System.out.println("节点名称："+s);
          }
          Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
      }
  
      /**
       * @Description 删除节点数据
       * @Author 刘俊重
       */
      @Test
      public void delete() throws Exception{
          //参数2：指定要删除的版本，-1表示删除所有版本
          zkCli.delete("/zk",-1);
          this.isExist();
      }
  
      /**
       * @Description 更新节点数据
       * @Author 刘俊重
       */
      @Test
      public void update() throws Exception{
          Stat stat = zkCli.setData("/zk", "newtest".getBytes(), -1);
          this.getData();
      }
  }

  Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);是为了不让程序执行完之后立马结束，让它睡一会，测试监听是否实现，同时在process回调函数中写了收到通知的操作， zkCli.getChildren(“/“, true);这时如果我们通过linux命令行操作了zookeeper操作节点就会触发这里的监听事件。

  5.zookeeper的使用场景

  5.1场景一：客户端动态感知服务端节点变化，实现高可用

  现在假设有这样一种需求：服务端节点有多个，可以动态的上下线；需要让任意一台客户端都能实时感知服务端节点的变化，进而连接目前可提供服务的节点。
  实现思路：我们可以借助于zookeeper这个第三方中间件，在每台服务器启动时都向zookeeper注册服务器的节点信息（比如：/servers/server01;/servers/server02）；客户端每次调用之前都通过getChildren方法获取最新的服务器节点信息，同时客户端在zookeeper注册监听，监听服务器节点的变化；如果某刻服务器server01下线了，zookeeper就会发出节点变化通知客户端，回调process方法拉取最新的服务器节点信息。
  服务端代码如下：

  public class DistributeServer {
  
      private static final String CONNECT_URL = "mini1:2181,mini2:2181,mini3:2181";
  
      private static final int SESSION_TIME_OUT = 2000;
  
      private static final String PARENT_NODE = "/servers";
  
      private ZooKeeper zkCli = null;
  
      /**
       * @Description 获取连接
       * @Author 刘俊重
       * @Date 2017/12/13
       */
      public void getConnect() throws Exception{
          zkCli = new ZooKeeper(CONNECT_URL, SESSION_TIME_OUT, new Watcher() {
              @Override
              public void process(WatchedEvent event) {
                  System.out.println(event.getType()+"-----------"+event.getPath());
                  try{
                      zkCli.getChildren("/", true);
                  }catch (Exception e){
  
                  }
  
              }
          });
      }
  
      /**
       * @Description 服务器启动时向zookeeper注册服务信息
       * @Author 刘俊重
       * @Date 2017/12/13
       */
      public void registerServer(String hostName) throws  Exception {
          String s = zkCli.create(PARENT_NODE + "/", hostName.getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
          System.out.println("服务器："+hostName+"已经注册完毕");
      }
  
      /**
       * @Description 模拟实际的业务操作
       * @Author 刘俊重
       * @Date 2017/12/13
       */
      public void handelBusiness(String hostname) throws  Exception {
          System.out.println("服务器："+hostname+"正在处理业务。。。");
          Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
      }
  
      public static void main(String[] args) throws  Exception {
          DistributeServer server = new DistributeServer();
          server.getConnect();
          server.registerServer(args[0]);
          server.handelBusiness(args[0]);
      }
  }

客户端代码如下：

/**
 * @author 刘俊重
 * @Description 模拟客户端，拉取最新服务器节点列表并向zookeeper设置监听
 */
public class DistributeClient {

    private static final String CONNECT_URL = "mini1:2181,mini2:2181,mini3:2181";

    private static final int SESSION_TIME_OUT = 2000;

    private static final String PARENT_NODE = "/servers";

    private ZooKeeper zkCli = null;

    private volatile List<String> serverList = null;

    /**
     * @Description 获取连接
     * @Author 刘俊重
     * @Date 2017/12/13
     */
    public void getConnect() throws Exception{
        zkCli = new ZooKeeper(CONNECT_URL, SESSION_TIME_OUT, new Watcher() {
            @Override
            public void process(WatchedEvent event) {
                // 收到事件通知后的回调函数（应该是我们自己的事件处理逻辑）
                System.out.println(event.getType()+"-----------"+event.getPath());
                try{
                    //重新更新服务器列表，并且注册了监听
                    getServerList();
                }catch (Exception e){

                }

            }
        });
    }

    /**
     * @Description 获取服务器子节点信息，并对父节点进行监听
     * @Author 刘俊重
     */
    public void getServerList() throws  Exception {
        List<String> children = zkCli.getChildren(PARENT_NODE, true);
        List<String> servers = new ArrayList<String>();
        for(String child : children){
            // child只是子节点的节点名
            byte[] data = zkCli.getData(PARENT_NODE + "/" + child, false, null);
            servers.add(new String(data));
        }
        //把servers赋值给成员变量serverList，以提供给各业务线程使用
        serverList = servers;
        System.out.println("节点数据："+serverList);

    }
    /**
     * @Description 模拟实际的业务操作
     * @Author 刘俊重
     * @Date 2017/12/13
     */
    public void handelBusiness() throws  Exception {
        System.out.println("客户端开始工作。。。");
        Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DistributeClient client = new DistributeClient();

        client.getConnect();
        client.getServerList();
        client.handelBusiness();
    }
}

5.2场景二：分布式锁实现

假设现在集群中有50台机器对某台机器上的同一文件进行修改，如何才能保证这个文件不会被写乱呢，使用java中的synchronized锁肯定是不行的，因为这个锁是对某个程序而言的，而我们这根本就不是在一个服务器上，怎么会锁的住，用zookeeper实现的分布式锁可以实现。
设计思路：服务器启动时都去zookeeper上注册一个“短暂+序号”的znode节点（如/lock/1;/lock/2），并设置监听父节点变化；获取到父节点下所有子节点，并比较序号的大小；约定比如序号最小的获取锁，去操作某一文件，操作完成后删除自己的节点（相当于释放锁），并注册一个新的“短暂+序号”的znode节点；其它程序收到zookeeper发送的节点变化的通知之后，去比较序号的大小，看谁获得新锁。

public class DistributedClientLock {
    // 会话超时
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 2000;
    // zookeeper集群地址
    private String hosts = "mini1:2181,mini2:2181,mini3:2181";
    private String groupNode = "locks";
    private String subNode = "sub";
    private boolean haveLock = false;

    private ZooKeeper zk;
    // 记录自己创建的子节点路径
    private volatile String thisPath;

    /**
     * 连接zookeeper
     */
    public void connectZookeeper() throws Exception {
        zk = new ZooKeeper(hosts, SESSION_TIMEOUT, new Watcher() {
            @Override
            public void process(WatchedEvent event) {
                try {

                    // 判断事件类型，此处只处理子节点变化事件
                    if (event.getType() == EventType.NodeChildrenChanged && event.getPath().equals("/" + groupNode)) {
                        //获取子节点，并对父节点进行监听
                        List<String> childrenNodes = zk.getChildren("/" + groupNode, true);
                        String thisNode = thisPath.substring(("/" + groupNode + "/").length());
                        // 去比较是否自己是最小id
                        Collections.sort(childrenNodes);
                        if (childrenNodes.indexOf(thisNode) == 0) {
                            //访问共享资源处理业务，并且在处理完成之后删除锁
                            doSomething();

                            //重新注册一把新的锁
                            thisPath = zk.create("/" + groupNode + "/" + subNode, null, Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
                                    CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
                        }
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        // 1、程序一进来就先注册一把锁到zk上
        thisPath = zk.create("/" + groupNode + "/" + subNode, null, Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
                CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);

        // wait一小会，便于观察
        Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));

        // 从zk的锁父目录下，获取所有子节点，并且注册对父节点的监听
        List<String> childrenNodes = zk.getChildren("/" + groupNode, true);

        //如果争抢资源的程序就只有自己，则可以直接去访问共享资源
        if (childrenNodes.size() == 1) {
            doSomething();
            thisPath = zk.create("/" + groupNode + "/" + subNode, null, Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
                    CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        }
    }

    /**
     * 处理业务逻辑，并且在最后释放锁
     */
    private void doSomething() throws Exception {
        try {
            System.out.println("gain lock: " + thisPath);
            Thread.sleep(2000);
        } finally {
            System.out.println("finished: " + thisPath);
            //释放锁
            zk.delete(this.thisPath, -1);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DistributedClientLock dl = new DistributedClientLock();
        dl.connectZookeeper();
        Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
    }

}

参考文档：http://www.cnblogs.com/likehua/tag/zookeeper/

6 zookeeper的选举机制

6.1全新集群paxos

以一个简单的例子来说明整个选举的过程.
假设有五台服务器组成的zookeeper集群,它们的id从1-5,同时它们都是最新启动的,也就是没有历史数据,在存放数据量这一点上,都是一样的.假设这些服务器依序启动,来看看会发生什么.
1) 服务器1启动,此时只有它一台服务器启动了,它发出去的报没有任何响应,所以它的选举状态一直是LOOKING状态
2) 服务器2启动,它与最开始启动的服务器1进行通信,互相交换自己的选举结果,由于两者都没有历史数据,所以id值较大的服务器2胜出,但是由于没有达到超过半数以上的服务器都同意选举它(这个例子中的半数以上是3),所以服务器1,2还是继续保持LOOKING状态.
3) 服务器3启动,根据前面的理论分析,服务器3成为服务器1,2,3中的老大,而与上面不同的是,此时有三台服务器选举了它,所以它成为了这次选举的leader.
4) 服务器4启动,根据前面的分析,理论上服务器4应该是服务器1,2,3,4中最大的,但是由于前面已经有半数以上的服务器选举了服务器3,所以它只能接收当小弟的命了.
5) 服务器5启动,同4一样,当小弟.

6.2非全新集群的选举机制(数据恢复)

那么，初始化的时候，是按照上述的说明进行选举的，但是当zookeeper运行了一段时间之后，有机器down掉，重新选举时，选举过程就相对复杂了。
需要加入数据id、leader id和逻辑时钟。
数据id：数据新的id就大，数据每次更新都会更新id。
Leader id：就是我们配置的myid中的值，每个机器一个。
逻辑时钟：这个值从0开始递增,每次选举对应一个值,也就是说: 如果在同一次选举中,那么这个值应该是一致的 ; 逻辑时钟值越大,说明这一次选举leader的进程更新.
选举的标准就变成：
1、逻辑时钟小的选举结果被忽略，重新投票
2、统一逻辑时钟后，数据id大的胜出
3、数据id相同的情况下，leader id大的胜出
根据这个规则选出leader。