ZooKeeper详解

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一、Zookeeper是什么

Zookeeper 是一个分布式协调服务，专门为分布式应用提供高效可靠的协调、同步、配置管理和故障恢复等功能。它的设计目的是简化分布式系统的管理，保证多个节点之间的数据一致性和协调工作。Zookeeper 提供了类似文件系统的层次化命名空间，用来存储和管理元数据，确保分布式应用的高可用性和强一致性。

二、Zookeeper的原理

Zookeeper从设计模式角度来理解：是一个基于观察者模式设计的分布式服务管理框架，它负责存储和管理大家都关心的数据，然后接受观察者的注册，一旦这些数据的状态发生变化，Zookeeper就将负责通知已经在Zookeeper上注册的那些观察者做出相应的反应。也就是说 Zookeeper = 文件系统 + 通知机制。

三、Zookeeper的数据结构

Zookeeper 的数据结构类似于一个层次化的文件系统：

• ZNode：是 Zookeeper 中存储数据的基本单元，每个 ZNode 都可以存储少量的数据，并且可以有子节点，形成树状结构。
• 持久节点：该类型的 ZNode 会一直存在，直到手动删除。
• 临时节点：客户端会话断开时，临时节点会自动删除，适用于实现分布式锁等功能。
• 顺序节点：在创建 ZNode 时，Zookeeper 可以自动为其添加递增的编号，常用于实现分布式队列或顺序任务处理。

​ ZooKeeper数据模型的结构与Linux文件系统很类似，整体上可以看作是一棵树，每个节点称做一个ZNode。每一个ZNode默认能够存储1MB的数据，每个ZNode都可以通过其路径唯一标识。

四、Zookeeper应用场景

提供的服务包括：统一命名服务、统一配置管理、统一集群管理、服务器节点动态上下线、软负载均衡等。

• 统一命名服务
  在分布式环境下，经常需要对应用/服务进行统一命名，便于识别。例如：IP不容易记住，而域名容易记住。
• 统一配置管理
  （1）分布式环境下，配置文件同步非常常见。一般要求一个集群中，所有节点的配置信息是一致的，比如Kafka集群。对配置文件修改后，希望能够快速同步到各个节点上。
  （2）配置管理可交由ZooKeeper实现。可将配置信息写入ZooKeeper上的一个Znode。各个客户端服务器监听这个Znode。一旦 Znode中的数据被修改，ZooKeeper将通知各个客户端服务器。
• 统一集群管理
  （1）分布式环境中，实时掌握每个节点的状态是必要的。可根据节点实时状态做出一些调整。
  （2）ZooKeeper可以实现实时监控节点状态变化。可将节点信息写入ZooKeeper上的一个ZNode。监听这个ZNode可获取它的实时状态变化。
• 服务器动态上下线
  客户端能实时洞察到服务器上下线的变化。
• 软负载均衡
  在Zookeeper中记录每台服务器的访问数，让访问数最少的服务器去处理最新的客户端请求。

五、Zookeeper的选举机制

5.1 第一次启动选举机制

Zookeeper 的选举机制确保集群中的所有节点对外表现为一个统一的服务。选举机制分为两个阶段：Leader 选举 和 投票确认。

1. 服务器1启动，发起一次选举。服务器1投自己一票。此时服务器1票数一票，不够半数以上（3票），选举无法完成，服务器1状态保持为LOOKING；
2. 服务器2启动，再发起一次选举。服务器1和2分别投自己一票并交换选票信息：此时服务器1发现服务器2的myid比自己目前投票推举的（服务器1）大，更改选票为推举服务器2。此时服务器1票数0票，服务器2票数2票，没有半数以上结果，选举无法完成，服务器1，2状态保持LOOKING
3. 服务器3启动，发起一次选举。此时服务器1和2都会更改选票为服务器3。此次投票结果：服务器1为0票，服务器2为0票，服务器3为3票。此时服务器3的票数已经超过半数，服务器3当选Leader。服务器1，2更改状态为FOLLOWING，服务器3更改状态为LEADING；
4. 服务器4启动，发起一次选举。此时服务器1，2，3已经不是LOOKING状态，不会更改选票信息。交换选票信息结果：服务器3为3票，服务器4为1票。此时服务器4服从多数，更改选票信息为服务器3，并更改状态FOLLOWING；
5. 服务器5启动，同4一样当小弟。

5.2 非第一次启动选举机制

1. 当ZooKeeper 集群中的一台服务器出现以下两种情况之一时，就会开始进入Leader选举：

   1）服务器初始化启动。
   2）服务器运行期间无法和Leader保持连接。

2. 而当一台机器进入Leader选举流程时，当前集群也可能会处于以下两种状态：
   1）集群中本来就已经存在一个Leader。
   对于已经存在Leader的情况，机器试图去选举Leader时，会被告知当前服务器的Leader信息，对于该机器来说，仅仅需要和 Leader机器建立连接，并进行状态同步即可。

   2）集群中确实不存在Leader。
   假设ZooKeeper由5台服务器组成，SID分别为1、2、3、4、5，ZXID分别为8、8、8、7、7，并且此时SID为3的服务器是Leader。某一时刻，3和5服务器出现故障，因此开始进行Leader选举。
   选举Leader规则：
   ① EPOCH大的直接胜出 任期，Epoch大的获选
   ② EPOCH相同，事务id大的胜出 数据最接近leader的，事务id越大，ZXID大的获选
   ③ 事务id相同，服务器id大的胜出 myid大的获选

SID：服务器ID。用来唯一标识一台ZooKeeper集群中的机器，每台机器不能重复，和myid一致。
ZXID：事务ID。ZXID是一个事务ID，用来标识一次服务器状态的变更。在某一时刻，集群中的每台机器的ZXID值不一定完全一致，这和ZooKeeper服务器对于客户端“更新请求”的处理逻辑速度有关。
Epoch：每个Leader任期的代号。没有Leader时同一轮投票过程中的逻辑时钟值是相同的。每投完一次票这个数据就会增加，其实任期就是投票次数

六、部署 Zookeeper 集群

6.1环境布置

6.2 安装前准备

1. 关闭防火墙和selinux

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

2. 安装JDK

yum install -y java-1.8.0-openjdk java-1.8.0-openjdk-devel
java -version

6.3 Zookeeper安装与部署

3. 下载Zookeeper安装包
   官方下载地址：https://archive.apache.org/dist/zookeeper/

tar -zxvf apache-zookeeper-3.5.7-bin.tar.gz -C /opt/
mv /opt/apache-zookeeper-3.5.7-bin /usr/local/zookeeper-3.5.7

4. 修改Zookeeper配置文件

cd /usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/
cp zoo_sample.cfg zoo.cfg
vim zoo.cfg

tickTime=2000   #通信心跳时间，Zookeeper服务器与客户端心跳时间，单位毫秒
initLimit=10    #Leader和Follower初始连接时能容忍的最多心跳数（tickTime的数量），这里表示为10*2s
syncLimit=5     #Leader和Follower之间同步通信的超时时间，这里表示如果超过5*2s，Leader认为Follwer死掉，并从服务器列表中删除Follwer
dataDir=/usr/local/zookeeper-3.5.7/data      ●修改，指定保存Zookeeper中的数据的目录，目录需要单独创建
dataLogDir=/usr/local/zookeeper-3.5.7/logs   ●添加，指定存放日志的目录，目录需要单独创建
clientPort=2181   #客户端连：接端口
#添加集群信息
server.1=192.168.10.123:3188:3288
server.2=192.168.10.124:3188:3288
server.3=192.168.10.125:3188:3288

server.A=B:C:D

• A是一个数字，表示这个是第几号服务器。集群模式下需要在zoo.cfg中dataDir指定的目录下创建一个文件myid，这个文件里面有一个数据就是A的值，Zookeeper启动时读取此文件，拿到里面的数据与zoo.cfg里面的配置信息比较从而判断到底是哪个server。
• B是这个服务器的地址。
• C是这个服务器Follower与集群中的Leader服务器交换信息的端口。
• D是万一集群中的Leader服务器挂了，需要一个端口来重新进行选举，选出一个新的Leader，而这个端口就是用来执行选举时服务器相互通信的端口。

5. 每个节点创建各自的Zookeeper的data和logs目录

mkdir /usr/local/zookeeper-3.5.7/data
mkdir /usr/local/zookeeper-3.5.7/logs

6. 配置Zookeeper启动脚本

vim /etc/init.d/zookeeper#!/bin/bash
#chkconfig:2345 20 90
#description:Zookeeper Service Control Script
ZK_HOME='/usr/local/zookeeper-3.5.7'
case $1 in
start)echo "---------- zookeeper 启动 ------------"$ZK_HOME/bin/zkServer.sh start
;;
stop)echo "---------- zookeeper 停止 ------------"$ZK_HOME/bin/zkServer.sh stop
;;
restart)echo "---------- zookeeper 重启 ------------"$ZK_HOME/bin/zkServer.sh restart
;;
status)echo "---------- zookeeper 状态 ------------"$ZK_HOME/bin/zkServer.sh status
;;
*)echo "Usage: $0 {start|stop|restart|status}"
esac

7. 设置开机自启

chmod +x /etc/init.d/zookeeper
chkconfig --add zookeeper

8. 启动并查看Zookeeper的状态

service zookeeper start
service zookeeper status