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ZooKeeper是一个分布式协调服务来管理大量的主机。协调和管理在分布式环境的一个服务是一个复杂的过程。ZooKeeper 简单解决了其结构和API这个问题。ZooKeeper允许开发人员能够专注于核心应用程序逻辑，而无需担心应用程序的分布式特性。

ZooKeeper框架始建于“雅虎”，一个简单而强大的方法用于访问应用程序。后来 Apache ZooKeeper 成为用 Hadoop，HBase 的组织服务以及其他分布式架构的标准。例如，Apache HBase 使用 ZooKeeper 跟踪分布式数据的状态。

Apache ZooKeeper是由群集（组节点）之间进行相互协调，并保持强大的同步技术共享数据的服务。ZooKeeper本身是一个分布式应用写入分布式应用提供服务。

ZooKeeper 提供的通用服务如下-

• 命名服务 − 确定在一个集群中的节点的名字。它类似于DNS，只不是过节点。
• 配置管理 − 系统最近加入节点和向上最新配置信息。
• 集群管理 − 加入/节点的群集和节点状态实时离开。
• 节点领导者选举 − 选举一个节点作为领导者协调的目的。
• 锁定和同步服务 − 锁定数据，同时修改它。这种机制可以帮助自动故障恢复，同时连接其它的分布式应用程序。如Apache HBase。
• 高可靠的数据注册表 − 一个或几个节点的可用性的数据向下。

分布式应用程序提供了很多好处，但他们也带来了一些复杂的，难以破解的挑战。ZooKeeper框架提供了完整的机制来克服所有挑战。竞争条件和死锁使用故障安全同步的方式进行处理。另一个主要缺点是不一致的数据，ZooKeeper 使用原子性解决。

ZooKeeper的优点

下面是使用 ZooKeeper 的好处 -

• 简单的分布式协调过程
• 同步 − 互斥和服务器进程之间的合作。这个过程有助于Apache HBase 的配置管理。
• 有序消息
• 序列化− 根据特定的规则进行编码数据。确保应用程序不断地运行。这种方法可以用来在MapReduce的协调队列以执行正在运行的线程。
• 可靠性
• 原子性 − 数据传输成功或完全失败，但没有事务处理部分。

ZooKeeper的体系结构

看看下面的图。它描绘ZooKeeper 的“客户端 - 服务器架构”。

ZooKeeper 架构的一部分组件如下表中所解释。

部分	描述
Client	客户端，在我们的分布式应用集群的一个节点，从服务器获取信息。对于一个特定的时间间隔，每个客户端将消息发送到服务器，以让服务器都知道客户机是活的。 同样，服务器会发送一个确认当客户端连接。如果没有从所连接的服务器的响应，客户端自动重定向消息到另一个服务器
Server	服务器，ZooKeeper集成的一个节点，提供所有的服务提供给客户。给出应答客户，告知该服务器还活着
合组	ZooKeeper 服务器组。节点所需要形成的合奏的最小数目为3
Leader	它执行自动恢复，如果任何连接的节点的故障的服务器节点。领导者服务启动
Follower	遵循领导指示服务器节点

分层命名空间

下图显示了用于内存中表示 ZooKeeper 文件系统的树形结构。 ZooKeeper节点被称为znode。每个znode由一个名称识别，并通过路径（/）序列隔开。

• 在图中，首先有一个根znode，它由“/”分隔。在根下，有两个逻辑命名空间 config 和 workers。
• 在config命名空间用于集中配置管理以及 workers 命名空间用于命名。
• 在 config 命名空间下，每个znode可以存储高达 1MB 的数据。这类似于UNIX文件系统，不同的是父 znode 也可以存储数据。这种结构的主要目的是存储同步数据以及描述znode的元数据。这种结构被称为 ZooKeeper数据模型。

在 ZooKeeper 数据模型中每个 znode 维护一个 stat 结构。 一个统计（stat ）只是提供了一个 znode 元数据。 它由版本号，动作控制列表（ACL），时间戳和数据长度组成。

• 版本号 − 每个znode都有一个版本号，这意味着每个相关的时间使用节点改变数据，其相应的版本号也将增加。使用版本号是重要的，在多个 zookeeper 的客户端正在努力通过相同znode执行操作。
• 动作控制列表（ACL） −ACL是基本的身份验证机制，用于访问znode。它管理所有的znode读写操作。
• 时间戳 − 时间戳表示过去时间，从znode创建和修改起算。它通常以毫秒表示。ZooKeeper 确定每次从“事务ID”（zxid）更改znodes。Zxid是独特的，为每个事务处理维持时间，使您可以轻松地识别从一个请求到另一个请求经过的时间。
• 数据长度 − 存储在 znode 数据的合计量是数据长度。可以存储的最大数据容量为1MB。

Znodes 类型

Znodes 被归类为持久性，顺序和短暂。

• 持久性znode − 持久性 znode 处于活动状态，即使客户端，它创造了特定的 znode。默认情况下，所有的 znodes 是持久的，除非另有说明。
• 短暂znode − 短暂znodes活跃，直到客户端还活着。当客户端被从 ZooKeeper 集合断开连接，然后znodes自动删除。由于这个原因，只有短暂znodes不允许再有一个子。如果短周期znode被删除，那么下一个合适的节点，将填补其位置。短暂znodes 发挥在领导选举中起重要作用。
• 连续znode − 连续znodes可以是持久或短暂的。当一个新的znode作为连续znode创建的，则 ZooKeeper 通过将10位的序列号为原始名称设置znode的路径。例如，如果使用路径 /myapp 来创建一个znode作为连续znode，ZooKeeper将改变路径 /myapp0000000001并设置一个序列号为0000000002。如果两个连续znodes同时被创建，ZooKeeper从来不使用相同数量在每个znode上。连续znodes在锁定和同步中起到重要作用。

会话

会话对于 ZooKeeper 操作是非常重要的。请求在会话 FIFO 顺序执行。当一个客户端连接到服务器，会话将建立一个会话ID并分配给客户端。

客户端在特定的时间间隔发送心跳来保持会话有效。如果 ZooKeeper 从客户端接收检测信号超过在服务的开始指定的期间（会话超时），它认为该客户死亡。

会话超时通常以毫秒表示。当一个会话因任何原因而结束，该会话期间短暂创造了的 znodes 会被删除。

监视

监视是一个简单的机制，在ZooKeeper集合通知下以获取客户有关的变化。 客户端可以设置监视，同时读取特定znode。监视发送通知给注册的客户机对任何znode（在其上的客户端寄存器）的变化。

节点改变时znode或子znode变化相关联的数据也会被修改。监视只被触发一次。如果客户想要再次通知，则必须通过另一次读操作来完成。当一个连接会话已过期，客户端会从服务器断开，并在相关的监视也将被删除。

Zookeeper工作流

 

当ZooKeeper集合启动时，它会等待客户端连接。客户端将连接到ZooKeeper的集合的其中一个节点。它可能是一个领导者或跟随者节点。当客户机连接时，该节点分配会话ID给特定的客户端，并发送一个确认消息给客户端。如果客户端没有得到确认，它会尝试连接ZooKeeper集合的另一个节点。当连接到一个节点后，客户端将以规则的间隔发送心跳到节点，以确保连接不会丢失。

• 如果客户想要读取特定的znode，它发送一个读请求使用znode路径的节点，所述节点从其自己的数据库中获取它返回所请求的znode。出于这个原因，读取在动物园管理员集合中速度非常快。
• 如果客户希望将数据存储在ZooKeeper 集合，它发送znode路径和数据到服务器。连接的服务器将请求转发到领导者，那么领导者将重新发出书面请求到所有的追随者。如果只有一个数节点成功响应，接着写请求将成功及一个成功的返回代码将被发送到客户端。否则，写请求将失败。严格大部分节点被称为定额。

ZooKeeper集合的节点

让我们来分析ZooKeeper集合不同数量的节点的作用。

• 如果我们有一个节点，那么当该节点出现故障时ZooKeeper集合失败。它有利于“单一失败教程”，它不建议用在生产环境中。
• 如果我们有两个节点，一个节点出现故障，我们也没有“多数”，因为二分之一并不是一个大多数。
• 如果我们有三个节点及其一个节点发生故障，我们有大多数，因此它是最低要求。它强制 ZooKeeper 集合在实际生产环境中至少有三个节点。
• 如果我们有四个节点及其有当两个节点失败，它类似于有三个节点。额外的节点没有任何作用，因此，最好是单数增加节点，例如，3, 5, 7.

我们知道，写处理它比在 ZooKeeper 集合读过程是昂贵的，由于所有的节点需要写相同的数据在其数据库中。因此，最好是具有节点（3，5或7）比具有大量节点的一个平衡的环境的数量少。

下图描述了ZooKeeper 的工作流程以及在随后的表说明了其不同的组件。

组件	描述
写入	写过程是由领导节点处理。领导者转发写请求到所有znodes及其等待来自znodes应答。如果一半的znodes的回复，那么写入过程就完成了。
读取	读取在内部由特定连接znode进行的，所以没有必要与集群交互。
复制数据库	它是用来将数据存储在zookeeper。每个znode都有自己的数据库及其每个znode 在一致性的作用下，每次有相同的数据。
领导者（节点）	领导者是由Znode负责处理写请求。
追随者（节点）	追随者收到来自客户端的写请求，并将其转发到领导znode。
请求处理器	目前仅在领导节点。它从跟随节点的请求支配写入。
原子广播	负责从领导节点到从节点广播更改。

Zookeeper领导人选举

 

让我们来分析一下一个领导节点在ZooKeeper集合的选举。考虑集群中有N多的节点。领导人选举的过程如下 −

• 所有节点创建一个顺序，znode具有相同路径，/app/leader_election/guid_。
• ZooKeeper 的集合将追加的10位序列号的路径，创造了 znode 将会是 /app/leader_election/guid_0000000001, /app/leader_election/guid_0000000002, ...等。
• 对于给定的实例，它在znode创建最小数量的节点成为领导者以及所有其他节点的追随者。
• 每一个追随者节点监控下一个最小号的znode。

        例如，节点这将创建znode /app/leader_election/guid_0000000008 将监控znode/app/leader_election/guid_0000000007 

        及其该节点创建znode /app/leader_election/guid_0000000007 将监控znode /app/leader_election/guid_0000000006.

• 如果领导停机，接着其对应的znode/app/leader_electionN被删除。
• 跟随节点接下来将通过观察者得到关领导去除的通知。
• 跟随节点接下来会检查是否有其他znodes用最小数量。 如果没有，接着它将承担领导者的角色。否则，它会找到哪些用最小数创造了znode作为领导者的节点。
• 同样，其他所有跟随节点选举创造了znode用最小数作为领导者的节点。

领导人选举时，它从头开始做一个复杂的过程。但ZooKeeper服务，使得它非常简单。让我们在接下来的章节介绍 ZooKeeper 安装和开发。

Zookeeper CLI

 

ZooKeeper 命令行界面(CLI)是用来与 ZooKeeper 集成作开发进行交互的。这是在调试和使用不同的选项时的工作有用。

为了执行ZooKeeper的CLI操作， ZooKeeper服务器首先要启动 (“bin/zkServer.sh start”) , 然后使用 ZooKeeper 客户端 (“bin/zkCli.sh”). 当客户端启动后，可以执行以下操作 -

• 创建znodes
• 获取数据
• 监视 znode 变化
• 设置数据
• 创建 znode 的子 znode
• 列出一个 znode 的子 znode
• 检查状态
• 删除一个 znode

现在，让我们一个个用一个例子地来看上面的命令。

创建Znodes

由一个给定的路径来创建znode。flag参数指定了创建的 znode 是否为短暂的，持久的，或连续的。默认情况下，所有的 znodes是持久的。

• 短暂 znodes（flag: e）当会话过期或当客户端断开连接将被自动删除。
• 连续 znodes 保证 znode 路径是唯一的。
• ZooKeeper集成将沿着添加序列号使用10位填充到znode路径。例如，znode路径 /myapp 将被转换为 /myapp0000000001 以及下一个序列号将是 /myapp0000000002. 如果没有指定flag，那么 znode 是持久的。

语法

create /path /data

示例

create /FirstZnode “Myfirstzookeeper-app”

输出结果

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] create /FirstZnode “Myfirstzookeeper-app”
Created /FirstZnode

要创建一个连续znode，如下图所示添加 -s 标志。

语法

create -s /path /data

示例

create -s /FirstZnode second-data

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] create -s /FirstZnode “second-data”
Created /FirstZnode0000000023

要创建一个临时Znode，添加-e标志，如下图所示。

语法

create -e /path /data

示例

create -e /SecondZnode “Ephemeral-data”

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] create -e /SecondZnode “Ephemeral-data”
Created /SecondZnode

记住，当丢失一个客户端连接，在临时 znode 将被删除。可以通过退出 ZooKeeper CLI 尝试，然后重新打开命令行。

获取数据

它返回 znode 的相关数据和指定 znode 元数据。这里将得到信息，例如当数据最后一次修改，在那里它被修改和有关数据的信息。此外 CLI 还用于分配监视显示通知有关的数据。

语法

get /path

示例

get /FirstZnode

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] get /FirstZnode
“Myfirstzookeeper-app”
cZxid = 0x7f
ctime = Tue Sep 29 16:15:47 IST 2015
mZxid = 0x7f
mtime = Tue Sep 29 16:15:47 IST 2015
pZxid = 0x7f
cversion = 0
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 22
numChildren = 0

要访问顺序znode，必须输入znode的完整路径。

示例

get /FirstZnode0000000023

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] get /FirstZnode0000000023
“Second-data”
cZxid = 0x80
ctime = Tue Sep 29 16:25:47 IST 2015
mZxid = 0x80
mtime = Tue Sep 29 16:25:47 IST 2015
pZxid = 0x80
cversion = 0
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 13
numChildren = 0

监视

监视显示通知当指定znode或znode的子数据变化。只能在 get 命令中设置监视。

语法

get /path [watch] 1

示例

get /FirstZnode 1

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] get /FirstZnode 1
“Myfirstzookeeper-app”
cZxid = 0x7f
ctime = Tue Sep 29 16:15:47 IST 2015
mZxid = 0x7f
mtime = Tue Sep 29 16:15:47 IST 2015
pZxid = 0x7f
cversion = 0
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 22
numChildren = 0

输出类似于正常get命令，但它会在后台等待节点改变。

设置数据

设置指定znode的数据。当你完成设置操作，就可以使用get CLI命令检查数据。

语法

set /path /data

示例

set /SecondZnode Data-updated

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] get /SecondZnode “Data-updated”
cZxid = 0x82
ctime = Tue Sep 29 16:29:50 IST 2015
mZxid = 0x83
mtime = Tue Sep 29 16:29:50 IST 2015
pZxid = 0x82
cversion = 0
dataVersion = 1
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x15018b47db00000
dataLength = 14
numChildren = 0

如果分配监视选项在get命令（之前的命令），则输出将类似如下 -

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] get /FirstZnode “Mysecondzookeeper-app”

WATCHER: :

WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeDataChanged path:/FirstZnode
cZxid = 0x7f
ctime = Tue Sep 29 16:15:47 IST 2015
mZxid = 0x84
mtime = Tue Sep 29 17:14:47 IST 2015
pZxid = 0x7f
cversion = 0
dataVersion = 1
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 23
numChildren = 0

创建子znode

创建子znode类似于创建新的znodes。唯一的区别在于，子 znode 的路径将包含有父路径。

语法

create /parent/path/subnode/path /data

示例

create /FirstZnode/Child1 firstchildren

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 16] create /FirstZnode/Child1 “firstchildren”
created /FirstZnode/Child1
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 17] create /FirstZnode/Child2 “secondchildren”
created /FirstZnode/Child2

列出子znode

该命令用于列出和显示子 znode 。

语法

ls /path

示例

ls /MyFirstZnode

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] ls /MyFirstZnode
[mysecondsubnode, myfirstsubnode]

检查状态

状态描述了指定znode的元数据。它包含详细信息，如时间戳，版本号，访问控制列表，数据长度和子znode。

语法

stat /path

示例

stat /FirstZnode

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] stat /FirstZnode
cZxid = 0x7f
ctime = Tue Sep 29 16:15:47 IST 2015
mZxid = 0x7f
mtime = Tue Sep 29 17:14:24 IST 2015
pZxid = 0x7f
cversion = 0
dataVersion = 1
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 23
numChildren = 0

删除Znode

删除指定znode和递归删除所有的子znode。这只有在znode可用时发生。

语法

rmr /path

示例

rmr /FirstZnode

输出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 10] rmr /FirstZnode
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 11] get /FirstZnode
Node does not exist: /FirstZnode

删除（删除/路径）命令类似remove命令，但它仅适用于无子znode的znode。