zookeeper 概念

zookeeper的设计目的

• 最终一致性：无论连接哪个server，得到的视图相同
• 可靠性：如果消息被一台server接收，将被所有视图可见
• 实时性：在一定的时间段内能收到更新消息，调用sync()可以手动获取最新消息
• 等待无关：慢的client不会干扰处理较快的client
• 原子性：数据更新要么成功要么失败
• 顺序性：
  
  • 全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布，则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布
  • 偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布，a必将排在b前面。

数据结构

• zk的数据结构设计成类似于文件系统树的结构
• zk的数据放在内存中保证了它的高效
• 每个节点都是一个znode，既是文件也是文件夹，可以存储数据
• 在zk的命名空间中，用path路径定义一个节点

znode

• znode中包含的数据
  
  • 消息版本
  • 时间戳
  • acl（Access Control List 权限列表）
  • 数据（一般数据很小1k以内）
• 读写操作都是原子性的（要么成功要么失败）
• 四种类型的znode节点：
  
  • PERSISTENT：持久节点
  • PERSISTENT_SEQUENTIAL：持久节点，同时自动排序
  • EPHEMERAL：临时节点，创建session 时创建节点，断开session 时删除节点
  • EPHEMERAL_SEQUENTIAL：临时节点，同时自动排序
• 监听：可以监听znode的变化，数据改变、被删除、子目录节点增加删除

分布式zookeeper

• 在所有机器间进行数据复制：
  
  • 容错
  • 提高系统的吞吐能力，提高负载能力
  • 所有客服端就近访问，降低延时
• 保持最终一致性

角色

• leader：更新时发起投票（所有的写请求都会发到leader上），更新系统状态
  
  • 恢复数据
  • 维持和follower和observer的心跳
  • 接收follower和observer的请求：心跳、写请求和同步、对提议（COMMIT）的回复、延长session有效时间
• follower：响应客户端的请求，参与投票；
  
  • 向Leader发送请求（心跳、写请求和同步、对提议的回复（投票）、延长session有效时间）
  • 接收Leader消息并进行处理（PING，对提案投票、COMMIT、UPTODATE完成同步、延长session的请求结果、返回SYNC结果）
  • 接收client写请求，则发给leader
  • 接收client读请求，返回结果
  • 接收client同步请求，发给leader
• observer：作用和follower一样，只是不参与投票
  
  • 区别于follower:随着机器的添加，因为网络消耗等原因必定导致投票成本添加，从而导致写性能的下降。
    

Observer的意义：https://www.cnblogs.com/EasonJim/p/7488484.html
三种角色: https://blog.csdn.net/mayp1/article/details/52026797

工作原理

• zab协议包括恢复模式（选主）和广播模式（同步）
  
  • 恢复模式：leader崩溃后，开始选择leader，然后同步数据
  • 广播模式：保证leader和server间数据一致
• 保证事务顺序一致：使用递增的事务id来表示数据
• 工作状态：
  
  • looking：搜索leader
  • leading：作为leader
  • following：作为follower

客户端请求

• 一个客户端连接是指客户端和 ZooKeeper 服务器之间的TCP长连接，通过这个连接，客户端能够通
  过心跳检测和服务器保持有效的会话。
• 客户端向zk发送读请求，直接返回值。每个zk节点上的数据都是完整的
• 客户端向zk发送写请求
  
  • 发送到leader：leader生成事务Proposal，广播给所有的follower，follower收到后进行入库，同时反馈ack。当过半follower反馈ack后，leader发送消息提交Proposal。
    
    • 广播事务Proposal之前，leader会分配一个全局唯一的事务id（ZXID）
  • 发送到follower或者observer，转发到leader上

zxid

• 高32位是Leader的epoch，从1开始，每次选出新的Leader，epoch加一；每个leader的epoch唯一
• 低32位为该epoch内的序号，每次epoch变化，都将低32位的序号重置；

leader和observer、follower通信

• leader和follower、observer使用tcp进行通信，tcp本身fifo，对广播消息的接受和发送保序
• leader崩溃或者leader丢失过半follower，进入崩溃恢复模式（leader选举）

leader选举

• 进行leader选举时，选票包括：
  
  • logicClock 表示这是该服务器发起的第多少轮投票，从1开始计数。ZooKeeper规定所有有效的投票都必须在同一轮次中
  • state 当前服务器的状态
  • self_id 当前服务器的唯一ID
  • self_zxid 当前服务器上所保存的数据的最大事务ID，从0开始计数
  • vote_id 被推举的服务器的唯一ID
  • vote_zxid 被推举的服务器上所保存的数据的最大事务ID，从0开始计数
• 在leader的选择上，应该确保被提交的事务不丢失，同时丢弃未提交的事务。基于这个目标：使用集群中节点的zxid作为选举依据（尽量选择zxid最大的节点）
• 每个节点都有一个投票箱，开始投票的时候需要先清空投票箱，该投票箱记录了所收到的选票，只记录每个投票者最新的选票
• 整体思路：每个节点选择自己认为最优节点，广播给全网，剩余节点收到经过比较整理；不断重复上面步骤，选出超半数节点认可的节点作为leader

选举步骤

• 每个服务器最开始都是通过广播把票投给自己。
• 接收其它服务器的投票，记入自己的投票箱内
• 选票按logicClock -> vote_zxid -> vote_id依次判断
• 外部投票的logicClock > 自己的logicClock：该服务器的选举轮次落后于其它服务器的选举轮次，清空自己的投票箱，将自己的logicClock更新为收到的logicClock
• 外部投票的logicClock < 自己的logicClock: 忽略该投票，继续处理下一个投票;
• 外部投票的logickClock = 自己的
  
  • self_zxid < vote_zxid：将自己的票中的vote_zxid与vote_myid更新为收到的票,将收到的票及自己更新后的票放入自己的票箱
  • self_zxid = vote_zxid
    
    • self_id < vote_id：将自己的票中的vote_myid更新为收到的票中的vote_myid并广播出去,将收到的票及自己更新后的票放入自己的票箱
• 过半服务器认可一台服务器作为leader，则终止投票.
• 若过半的票投给了自己，则将自己的服务器状态更新为LEADING，否则将自己的状态更新为FOLLOWING。
• 成为Leader的服务器要主动向Follower发送心跳包，Follower做出ACK回应，以维持他们之间的长连接。

同步流程

• leader等待链接
• follower和observer链接后将zxid（事务id）发给leader
• leader确定同步点后进行同步
• 同步完成后通知follower，状态改为uptodate，follower可以接收client请求

应用场景

命名服务

• 在znode上创建一个目录，该目录下的所有节点都是唯一的path

配置中心

• 将配置信息放到一个znode上，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

集群管理

• 机器退出和加入：约定在指定目录下创建临时节点，同时监听该节点的子节点变化
• 选举master：所有的临时节点都是有序的，选择序号最小的为master

分布式锁

• 保持锁定：所有服务在指定节点下创建节点，成功创建者获取锁，失败者监听该节点，用完后销毁。
• 控制顺序：所有服务在指定节点下创建有序节点，获取最小的节点，如果该节点是自己，则获得锁，用完后删除；否则监听比自己小的节点

参考：
前16条写的不错：https://www.cnblogs.com/felixzh/p/5869212.html https://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-zookeeper/
zab协议：https://www.jianshu.com/p/3fec1f8bfc5f