Zookeeper基础知识：成功分布式系统的关键

缺乏、安全感 2024-04-17 06:45 77阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*   *   *  一、引言
         *  二、Zookeeper介绍
         *  三、Zookeeper安装
         *  四、Zookeeper架构【\`重点\`】
         *   *  4.1 Zookeeper树形结构
             *  4.2 znode类型
             *  4.3 Zookeeper的监听通知机制
         *  五、Zookeeper常用操作
         *   *  5.1 zk常用命令
             *  5.2 Java连接Zookeeper
             *  5.3 Java操作Znode节点
             *  5.4 监听通知机制
         *  六、Zookeeper集群【\`重点\`】
         *   *  6.1 Zookeeper集群架构图
             *  6.2 Zookeeper集群中节点的角色
             *  6.3 Zookeeper数据同步
             *  6.4 Zookeeper选举
             *  6.5 搭建Zookeeper集群
             *  6.6 Zookeeper过半数存活原则
             *  6.7 为什么Zookeeper需要设计一个过半数存活机制?
         *  七、Java连接Zookeeper集群
         *  八，Zookeeper应用场景
         *   *  8.1 配置文件管理
             *  8.2 集群管理
             *  8.3 分布式锁
             *  8.4 命名服务(Dubbo监控中心原理)
             *  8.5 发现服务

#### 一、引言 ####

![在这里插入图片描述][0658dc69440940de8ad1f3e443d19027.png]

--------------------

> 在分布式环境下，如果舍弃SpringCloud，使用其他的分布式框架，那么注册心中，配置集中管理，集群管理，分布式锁，分布式任务，队列的管理想单独实现怎么办。

分布式系统面临的问题

1.  分布式系统如何实现对同一资源的访问，保证数据的强一致性？
2.  集群中的Master挂了，传统做法是什么？zookeeper又是如何做的？  
    ![在这里插入图片描述][108a33df77a9429b8c843627eee5934d.png]

#### 二、Zookeeper介绍 ####

--------------------

> ZooKeeper是一个分布式服务框架，是Apache Hadoop 的一个子项目，它主要是用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题，如：统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理等。
> 
> **简单来说zookeeper=文件系统+监听通知机制**
> 
> ZooKeeper最为主要的使用场景，是作为分布式系统的分布式协同服务。在学习zookeeper之前，先要对分布式系统的概念有所了解。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">ZooKeeper</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/direct/6eaab03146f64e4495b27ccd540da992.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 三、Zookeeper安装 ####

--------------------

> docker-compose.yml

version: "3.1"
    services:
      zk:
       image: daocloud.io/daocloud/zookeeper:latest
       restart: always
       container_name: zk
       ports:
         - 2181:2181

#### 四、Zookeeper架构【`重点`】 ####

--------------------

##### 4.1 Zookeeper树形结构 #####

> 每个子目录项如 NameService 都被称作为 znode(目录节点)，和文件系统一样，我们能够自由的增加、删除znode，在一个znode下增加、删除子znode，唯一的不同在于znode是可以存储数据的。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">Zookeeper的架构图</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/direct/bbef33c5a29340a68d6cd19767095962.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

##### 4.2 znode类型 #####

>  *  PERSISTENT-持久化目录节点
>     
>     客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在
>  *  PERSISTENT\_SEQUENTIAL-持久化顺序编号目录节点  
>     客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号
>  *  EPHEMERAL-临时目录节点
>     
>     客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除
>  *  EPHEMERAL\_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点
>     
>     客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号

##### 4.3 Zookeeper的监听通知机制 #####

zookeeper提供了节点watch的功能，zookeeper的client监控zookeeper上的节点，当节点变动的时候，client会收到变动事件和变动后的内容，基于zookeeper的这个特性，我们可以给服务器集群中的所有机器都注册watch事件，监控特定znode，节点中存储部署代码的配置信息，需要更新代码的时候，修改znode中的值，服务器集群中的每一台server都会收到代码更新事件，然后触发调用，更新目标代码。也可以很容易的横向扩展，可以随意的增删机器，机器启动的时候注册监控节点事件即可。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">监听通知机制</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/direct/2ee663c0c1e84452a36ed4752df80ae8.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 五、Zookeeper常用操作 ####

##### 5.1 zk常用命令 #####

--------------------

> Zookeeper针对增删改查的常用命令

![在这里插入图片描述][1576bdeb13bc45799e8f0fe920469989.png]

##### 5.2 Java连接Zookeeper #####

> 创建Maven工程

> 导入依赖

<dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
            <artifactId>zookeeper</artifactId>
            <version>3.6.0</version>
        </dependency>
    
          <dependency>
                <groupId>org.apache.curator</groupId>
                <artifactId>curator-recipes</artifactId>
                <version>2.12.0</version>
            </dependency>
    
        <dependency>
            <groupId>junit</groupId>
            <artifactId>junit</artifactId>
            <version>4.12</version>
        </dependency>
    </dependencies>

> 编写连接Zookeeper集群的工具类

public class ZkUtil {
        
    
        public static CuratorFramework cf(){
        
            // 超时时间是3s，重试2次
            RetryPolicy retryPolicy = new ExponentialBackoffRetry(3000,2);
            CuratorFramework cf = CuratorFrameworkFactory.builder()
                      .connectString("192.168.193.88:2181")
                    .retryPolicy(retryPolicy)
                    .build();
    
            cf.start();
    
            return cf;
        }
    
    }

##### 5.3 Java操作Znode节点 #####

> 查询

public class Demo2 {
        
    
        CuratorFramework cf = ZkUtil.cf();
    
        // 获取子节点
        @Test
        public void getChildren() throws Exception {
        
            List<String> strings = cf.getChildren().forPath("/");
    
            for (String string : strings) {
        
                System.out.println(string);
            }
        }
    
        // 获取节点数据
        @Test
        public void getData() throws Exception {
        
            byte[] bytes = cf.getData().forPath("/qf");
            System.out.println(new String(bytes,"UTF-8"));
        }
    
    }

> 添加

@Test
    public void create() throws Exception {
        
        cf.create().withMode(CreateMode.PERSISTENT).forPath("/qf2","uuuu".getBytes());
    }

> 修改

@Test
    public void update() throws Exception {
        
        cf.setData().forPath("/qf2","oooo".getBytes());
    }

> 删除

@Test
    public void delete() throws Exception {
        
        cf.delete().deletingChildrenIfNeeded().forPath("/qf2");
    }

> 查看znode的状态

@Test
    public void stat() throws Exception {
        
        Stat stat = cf.checkExists().forPath("/qf");
        System.out.println(stat);
    }

##### 5.4 监听通知机制 #####

public class Demo3 {
        
    
        CuratorFramework cf = ZkUtil.cf();
    
      @Test
        public void tesetListener() throws Exception{
        
            CuratorFramework cf = ZkClinet.cf();
    
            TreeCache nodeCache = new TreeCache(cf,"/demo");
    
            nodeCache.getListenable().addListener(new TreeCacheListener() {
        
                @Override
                public void childEvent(CuratorFramework client, TreeCacheEvent event) throws Exception {
        
                    ChildData eventData = event.getData();
                    switch (event.getType()) {
        
                        case NODE_ADDED:
                            System.out.println("/demo" + "节点添加" + eventData.getPath() + "\t添加数据为：" + new String(eventData.getData()));
                            break;
                        case NODE_UPDATED:
                            System.out.println(eventData.getPath() + "节点数据更新\t更新数据为：" + new String(eventData.getData()) + "\t版本为：" + eventData.getStat().getVersion());
                            break;
                        case NODE_REMOVED:
                            System.out.println(eventData.getPath() + "节点被删除");
                            break;
                        default:
                            break;
                    }
                }
            });
            nodeCache.start();
            System.out.println("监听开始。。。");
            System.in.read();
        }
    }

#### 六、Zookeeper集群【`重点`】 ####

--------------------

##### 6.1 Zookeeper集群架构图 #####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">集群架构图</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/direct/28cdff8178eb44e185e0241e83e7657b.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

##### 6.2 Zookeeper集群中节点的角色 #####

*  Leader(Master)：事务请求的唯一处理者，也可以处理读请求。
 *  Follower(Slave)：可以直接处理客户端的读请求，并向客户端响应；但其不会处理事务请求，其只会将客户端事务请求转发给Leader来处理，同步 Leader 中的事务处理结果；Leader 选举过程的参与者，具有选举权与被选举权。（就好像正式工）
 *  Observer(Slave)：可以理解为不参与 Leader 选举的 Follower，在 Leader 选举过程中没有选举权与被选举权；同时，对于 Leader 的提案没有表决权。用于协助 Follower 处理更多的客户端读请求。Observer 的增加，会提高集群读请求处理的吞吐量，但不会增加事务请求的通过压力，不会增加 Leader 选举的压力。（就好像临时工）

##### 6.3 Zookeeper数据同步 #####

ZooKeeper 集群的所有机器通过一个 Leader来完成写服务(也可以完成读)。Follower只提供读服务，不能提供写服务。

1.  如果有机器要对节点做更新，这个机器先告诉Leader。
2.  Leader收到后请求后广播给所有的节点进行写操作，每个角色都在自己的机器中写。
3.  每个机器写完后都给Leader汇报是否写入成功
4.  如果有一半的机器写成功了Leader就下发第二个指令
5.  提交事务，以广播的形式发出。

##### 6.4 Zookeeper选举 #####

*  每一个Zookeeper服务都会被分配一个全局唯一的myid，··是一个数字。
 *  Zookeeper在执行写数据时，每一个节点都有一个自己的FIFO的队列。保证写每一个数据的时候，顺序是不会乱的，Zookeeper还会给每一个数据分配一个全局唯一的zxid，数据越新zxid就越大。
 *  选举Leader：
    
     *  选举出zxid最大的节点作为Leader。
     *  在zxid相同的节点中，选举出一个myid最大的节点，作为Leader。

##### 6.5 搭建Zookeeper集群 #####

> 1、2181：对cline端提供服务
> 
> 2、3888：选举leader使用
> 
> 3、2888：集群内机器通讯使用（Leader监听此端口）

version: "3.1"
    services:
      zk1:
        image: zookeeper
        restart: always
        container_name: zk1
        ports:
          - 2181:2181
        environment:
          ZOO_MY_ID: 1
          ZOO_SERVERS: server.1=zk1:2888:3888;2181 server.2=zk2:2888:3888;2181 server.3=zk3:2888:3888;2181
      zk2:
        image: zookeeper
        restart: always
        container_name: zk2
        ports:
          - 2182:2181
        environment:
          ZOO_MY_ID: 2
          ZOO_SERVERS: server.1=zk1:2888:3888;2181 server.2=zk2:2888:3888;2181 server.3=zk3:2888:3888;2181
      zk3:
        image: zookeeper
        restart: always
        container_name: zk3
        ports:
          - 2183:2181
        environment:
          ZOO_MY_ID: 3
          ZOO_SERVERS: server.1=zk1:2888:3888;2181 server.2=zk2:2888:3888;2181 server.3=zk3:2888:3888;2181

> 查看节点状态 zkServer.sh status

##### 6.6 Zookeeper过半数存活原则 #####

> 在zookeeper集群中,当存活的机器数量超过总机器的一半的时候,整个集群才能正常工作,否则拒绝访问。基于过半数存活原则,zookeeper的集群机器数量一定是奇数台,因为2N+1和2N+2的容灾能力是一样的,基于成本考虑2N+1台的选择方案更优。

##### 6.7 为什么Zookeeper需要设计一个过半数存活机制? #####

> ***\*脑裂问题\****
> 
> 集群中的节点监听不到leader节点的心跳, 就会认为leader节点出了问题, 此时集群将分裂为不同的小集群, 这些小集群会各自选举出自己的leader节点, 导致原有的集群中出现多个leader节点。
> 
> 为了防止网络脑裂,保证数据的强一致性，因为整个集群中,有可能因为网络问题"脑裂",导致整个集群分为2个甚至多个集群,如果没有过半数存活机制,那么整个zookeeper会变成多个集群,那么zookeeper提供的数据无法再保证数据一致性;

![在这里插入图片描述][ba77b4e1a41f4e67a1a50b8f6c93caf2.png]

#### 七、Java连接Zookeeper集群 ####

> 编写连接Zookeeper集群的工具类

public class ZkUtil {
        
    
        public static CuratorFramework cf(){
        
            RetryPolicy retryPolicy = new ExponentialBackoffRetry(3000,2);
            CuratorFramework cf = CuratorFrameworkFactory.builder()
                    .connectString("192.168.199.109:2181,192.168.199.109:2182,192.168.199.109:2183")
                    .retryPolicy(retryPolicy)
                    .build();
    
            cf.start();
    
            return cf;
        }
    }

> 测试类

#### 八，Zookeeper应用场景 ####

##### 8.1 配置文件管理 #####

![在这里插入图片描述][60fa6491050145139bc85334c3cc7e47.png]

将需要统一管理的配置全部放到zookeeper上去，保存在 Zookeeper 的某个目录节点中，然后所有相关应用程序对这个目录节点进行监听，一旦配置信息发生变化，每个应用程序就会收到 Zookeeper 的通知，然后从 Zookeeper 获取新的配置信息应用到系统中。

##### 8.2 集群管理 #####

所有机器约定在父目录GroupMembers下创建临时目录节点，然后监听父目录节点的子节点变化消息。一旦有机器挂掉，该机器与 zookeeper的连接断开，其所创建的临时目录节点被删除，所有其他机器都收到通知：某个兄弟目录被删除。新机器加入也是类似，

我们稍微改变一下，所有机器创建临时顺序编号目录节点，每次选取编号最小的机器作为master就好。

##### 8.3 分布式锁 #####

我们将zookeeper上的一个znode看作是一把锁，通过createznode的方式来实现。所有客户端都去创建 /distribute\_lock 节点，最终成功创建的那个客户端也即拥有了这把锁。用完删除掉自己创建的distribute\_lock 节点就释放出锁

##### 8.4 命名服务(Dubbo监控中心原理) #####

在日常开发中，我们会遇到这样的场景：服务A需要访问服务B，但是服务B还在开发过程中（未完成），那么服务A（此时已完成）就不知道如何获取服务B的访问路径了，使用zookeeper的服务就可以简单解决：服务B部署成功后，可以先到zookeeper注册服务（即在zookeeper添加节点/service/B和节点数据）。服务A开发结束后，部署到服务器，然后服务A监控zookeeper服务节点/service/B，如果发现节点有数据了，那么服务A就可以访问服务B了。

##### 8.5 发现服务 #####

![在这里插入图片描述][dabc6bff52d24fcd8bbaad851b9ff2e2.png]

注册一个持久节点/service/business/what，他下面的每个子节点都是一个可用服务，保存了服务的地址端口等信息，服务调用者通过zookeeper获取/service/business/what所有子节点信息来得到可用的服务。下面的节点都是临时节点，服务器启动的时候会过来注册一个临时节点，服务器挂掉之后或主动关闭之后，临时节点会自动移除，这样就可以保证使用者获取的what服务都是可用的，而且可以动态的扩容缩容。

**后记  
????美好的一天，到此结束，下次继续努力！欲知后续，请看下回分解，写作不易，感谢大家的支持！！ ???**

[0658dc69440940de8ad1f3e443d19027.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/000b42d0c0c54f9c988beef87ba0313f.png
[108a33df77a9429b8c843627eee5934d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/5111fc5dd1314506b4dee471278ac915.png
[1576bdeb13bc45799e8f0fe920469989.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/6a7ba4843a554c92a301371027e02e58.png
[ba77b4e1a41f4e67a1a50b8f6c93caf2.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/33270c207ccb4bf0a80c4736768ed864.png
[60fa6491050145139bc85334c3cc7e47.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/9fbd429c188940129ed159a0ef144498.png
[dabc6bff52d24fcd8bbaad851b9ff2e2.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/5bccdf6ee6e14dec84f67cee0c7f0fb5.png