初識 zookeeper

Zookeeper 它作為Hadoop項目中的一個開源子項目，是一個經(jīng)典的分布式數(shù)據(jù)一致性解決方案，致力于為分布式應用提供一個高性能、高可用，且具有嚴格順序訪問控制能力的分布式協(xié)調(diào)服務。

1、zookeeper數(shù)據(jù)模型

zookeeper 維護了一個類似文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構，每個子目錄（/微信、/微信/公眾號）都被稱作為 znode 即節(jié)點。和文件系統(tǒng)一樣，我們可以很輕松的對 znode 節(jié)點進行增加、刪除等操作，而且還可以在一個znode下增加、刪除子znode，區(qū)別在于文件系統(tǒng)的是，znode可以存儲數(shù)據(jù)（嚴格說是必須存放數(shù)據(jù)，默認是個空字符）。

由于zookeeper是目錄節(jié)點結構，在獲取和創(chuàng)建節(jié)點時，必須要以“/” 開頭，否則在獲取節(jié)點時會報錯 Path must start with / character。 

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 13] get test  
Command failed: java.lang.IllegalArgumentException: Path must start with / character 

根節(jié)點名必須為“/XXX”，創(chuàng)建子節(jié)點時必須要帶上根節(jié)點目錄“/XXX/CCC”、“/XXX/AAA”。

例如：想要獲取下圖 程序員內(nèi)點事 節(jié)點必須拼接完整的路徑 get /微信/公眾號/程序員內(nèi)點事

get /微信/公眾號/程序員內(nèi)點事

在這里插入圖片描述

znode被用來存儲 byte級 或 kb級 的數(shù)據(jù)，可存儲的最大數(shù)據(jù)量是1MB（請注意：一個節(jié)點的數(shù)據(jù)量不僅包含它自身存儲數(shù)據(jù)，它的所有子節(jié)點的名字也要折算成Byte數(shù)計入，因此znode的子節(jié)點數(shù)也不是無限的）雖然可以手動的修改節(jié)點存儲量大小，但一般情況下并不推薦這樣做。

2、znode節(jié)點屬性

一個znode節(jié)點不僅可以存儲數(shù)據(jù)，還有一些其他特別的屬性。接下來我們創(chuàng)建一個/test節(jié)點分析一下它各個屬性的含義。 

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 6] get /test  
456  
cZxid = 0x59ac //  
ctime = Mon Mar 30 15:20:08 CST 2020  
mZxid = 0x59ad  
mtime = Mon Mar 30 15:22:25 CST 2020  
pZxid = 0x59ac  
cversion = 0  
dataVersion = 2  
aclVersion = 0  
ephemeralOwner = 0x0 
dataLength = 3  
numChildren = 0   

我們看到一個znode節(jié)點的屬性比較多，但比較主要的屬性還是zxid、version、acl 這三個。

Zxid：

znode節(jié)點狀態(tài)改變會導致該節(jié)點收到一個zxid格式的時間戳，這個時間戳是全局有序的，znode節(jié)點的建立或者更新都會產(chǎn)生一個新的。如果zxid1的值 < zxid2的值，那么說明zxid2發(fā)生的改變在zxid1之后。每個znode節(jié)點都有3個zxid屬性，cZxid（節(jié)點創(chuàng)建時間）、mZxid（該節(jié)點修改時間，與子節(jié)點無關）、pZxid（該節(jié)點或者該節(jié)點的子節(jié)點的最后一次創(chuàng)建或者修改時間，孫子節(jié)點無關）。

zxid屬性主要應用于zookeeper的集群，這個后邊介紹集群時詳細說。

Version：

znode屬性中一共有三個版本號dataversion（數(shù)據(jù)版本號）、cversion（子節(jié)點版本號）、aclversion（節(jié)點所擁有的ACL權限版本號）。

znode中的數(shù)據(jù)可以有多個版本，如果某一個節(jié)點下存有多個數(shù)據(jù)版本，那么查詢這個節(jié)點數(shù)據(jù)就需要帶上版本號。每當我們對znode節(jié)點數(shù)據(jù)修改后，該節(jié)點的dataversion版本號會遞增。當客戶端請求該znode節(jié)點時，會同時返回節(jié)點數(shù)據(jù)和版本號。另外當dataversion為 -1的時候可以忽略版本進行操作。對一個節(jié)點設置權限時aclVersion版本號會遞增，下邊會詳細說ACL權限控制。

驗證一下，我們修改/test節(jié)點的數(shù)據(jù)看看dataVersion有什么變化，發(fā)現(xiàn)dataVersion屬性變成了 3，版本號遞增了。 

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 10] set /test 8888  
cZxid = 0x59ac  
ctime = Mon Mar 30 15:20:08 CST 2020  
mZxid = 0x59b6  
mtime = Mon Mar 30 16:58:08 CST 2020  
pZxid = 0x59ac  
cversion = 0  
dataVersion = 3  
aclVersion = 0  
ephemeralOwner = 0x0  
dataLength = 4  
numChildren = 0 

3、znode的類型

zookeeper 有四種類型的znode，在用客戶端 client 創(chuàng)建節(jié)點的時候需要指定類型。

zookeeper.create("/公眾號/程序員內(nèi)點事", "".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL); 

•  PERSISTENT-持久化目錄節(jié)點 ：client創(chuàng)建節(jié)點后，與zookeeper斷開連接該節(jié)點將被持久化，當client再次連接后節(jié)點依舊存在。
•  PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化順序節(jié)點 ：client創(chuàng)建節(jié)點后，與zookeeper斷開連接該節(jié)點將被持久化，再次連接節(jié)點還存在，zookeeper會給該節(jié)點名稱進行順序編號，例如：/lock/0000000001、/lock/0000000002、/lock/0000000003。
• EPHEMERAL-臨時目錄節(jié)點 ：client與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點即會被刪除
•  EPHEMERAL_SEQUENTIAL-臨時順序節(jié)點 ：client與zookeeper斷開連接后，該節(jié)點被刪除，會給該節(jié)點名稱進行順序編號，例如：/lock/0000000001、/lock/0000000002、/lock/0000000003。

節(jié)點的ACL權限控制

ACL：即 Access Control List (節(jié)點的權限控制)，通過ACL機制來解決znode節(jié)點的訪問權限問題，要注意的是zookeeper對權限的控制是基于znode級別的，也就說節(jié)點之間的權限不具有繼承性，即子節(jié)點不繼承父節(jié)點的權限。

zookeeper中設置ACL權限的格式由<schema>:<id>:<acl>三段組成。

schema ：表示授權的方式

•  world：表示任何人都可以訪問
•  auth：只有認證的用戶可以訪問
•  digest：使用username  ：password用戶密碼生成MD5哈希值作為認證ID
•  host/ip：使用客戶端主機IP地址來進行認證

id：權限的作用域，用來標識身份，依賴于schema選擇哪種方式。

acl：給一個節(jié)點賦予哪些權限，節(jié)點的權限有create,、delete、write、read、admin 統(tǒng)稱 cdwra。

1、world：表示任何人都可以訪問

我們用 getAcl 命令來看一下，沒有設置過權限的znode節(jié)點，默認情況下的權限情況。 

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 12] getAcl /test  
'world,'anyone  
: cdrwa 

看到?jīng)]有設置ACL屬性的節(jié)點，默認schema 使用的是world，作用域是anyone，節(jié)點權限是cdwra，也就是說任何人都可以訪問。

那我們?nèi)绻o一個schema 為非world的節(jié)點設置world權限咋搞？ 

setAcl /test world:anyone:crdwa 

2、auth：只有認證的用戶可以訪問

schema 用auth授權表示只有認證后的用戶才可以訪問，那么首先就需要添加認證用戶，添加完以后需要對認證的用戶設置ACL權限。

addauth digest test:password(明文)

需要注意的是設置認證用戶時的密碼是明文的。 

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] addauth digest user:user //用戶名：密碼  
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 5] setAcl /test auth:user:crdwa  
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 6] getAcl /test  
'digest,'user:ben+k/3JomjGj4mfd4fYsfM6p0A=  
: cdrwa 

實際上我們這樣設置以后，就是將這個節(jié)點開放給所有認證的用戶，setAcl /test auth:user:crdwa 相當于setAcl /test auth::crdwa。

3、digest：用戶名:密碼的驗證方式

用戶名:密碼方式授權是針對單個特定用戶，這種方式是不需要先添加認證用戶的。

如果在代碼中使用zookeeper客戶端設置ACL，那么密碼是明文的，但若是zk.cli等客戶端操作就需要將密碼進行sha1及base64處理。 

setAcl <path> digest:<user>:<password(密文)>:<acl>  
setAcl /test digest:user:jalRr+knv/6L2uXdenC93dEDNuE=:crdwa 

那么密碼如何加密嘞？有以下幾種方式：

通過shell命令加密 

echo -n <user>:<password> | openssl dgst -binary -sha1 | openssl base64 

使用zookeeper自帶的類庫org.apache.zookeeper.server.auth.DigestAuthenticationProvider生成 

java -cp /zookeeper-3.4.13/zookeeper-3.4.13.jar:/zookeeper-3.4.13/lib/slf4j-api-1.7.25.jar \  
  org.apache.zookeeper.server.auth.DigestAuthenticationProvider \  
  root:root  
root:root->root:qiTlqPLK7XM2ht3HMn02qRpkKIE= 

4、host/ip：使用客戶端主機IP地址來進行認證

這種方式就比較好理解了，通過對特定的IP地址，也可以是一個IP段進行授權。 

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 3] setAcl /test0000000014 ip:127.0.0.1:crdwa  
cZxid = 0x59ac  
ctime = Mon Mar 30 15:20:08 CST 2020  
mZxid = 0x59b6  
mtime = Mon Mar 30 16:58:08 CST 2020  
pZxid = 0x59ac  
cversion = 0  
dataVersion = 3  
aclVersion = 3 // 這個版本一直在增加  
ephemeralOwner = 0x0  
dataLength = 4  
numChildren = 0 

zookeeper 靈魂 watcher

我們在開頭就說過：zookeeper可以為dubbo提供服務的注冊與發(fā)現(xiàn)，作為注冊中心，但你有想過zookeeper為啥能夠?qū)崿F(xiàn)服務的注冊與發(fā)現(xiàn)嗎？這就不得不說一下zookeeper的靈魂 Watcher（監(jiān)聽者）。

1、watcher是個啥？

watcher 是zooKeeper中一個非常核心功能 ，客戶端watcher 可以監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)變化以及它子節(jié)點的變化，一旦這些狀態(tài)發(fā)生變化，zooKeeper服務端就會通知所有在這個節(jié)點上設置過watcher的客戶端 ，從而每個客戶端都很快感知，它所監(jiān)聽的節(jié)點狀態(tài)發(fā)生變化，而做出對應的邏輯處理。

簡單的介紹了一下watcher ，那么我們來分析一下，zookeeper是如何實現(xiàn)服務的注冊與發(fā)現(xiàn)。zookeeper的服務注冊與發(fā)現(xiàn)，主要應用的是zookeeper的znode節(jié)點數(shù)據(jù)模型和watcher機制，大致的流程如下：

在這里插入圖片描述

•  服務注冊： 服務提供者（Provider）啟動時，會向zookeeper服務端注冊服務信息，也就是創(chuàng)建一個節(jié)點，例如：用戶注冊服務com.xxx.user.register，并在節(jié)點上存儲服務的相關數(shù)據(jù)（如服務提供者的ip地址、端口等）。
•  服務發(fā)現(xiàn)： 服務消費者（Consumer）啟動時，根據(jù)自身配置的依賴服務信息，向zookeeper服務端獲取注冊的服務信息并設置watch監(jiān)聽，獲取到注冊的服務信息之后，將服務提供者的信息緩存在本地，并進行服務的調(diào)用。
•  服務通知： 一旦服務提供者因某種原因宕機不再提供服務之后，客戶端與zookeeper服務端斷開連接，zookeeper服務端上服務提供者對應服務節(jié)點會被刪除（例如：用戶注冊服務com.xxx.user.register），隨后zookeeper服務端會異步向所有消費用戶注冊服務com.xxx.user.register，且設置了watch監(jiān)聽的服務消費者發(fā)出節(jié)點被刪除的通知，消費者根據(jù)收到的通知拉取最新服務列表，更新本地緩存的服務列表。

上邊的過程就是zookeeper可以實現(xiàn)服務注冊與發(fā)現(xiàn)的大致原理。

2、watcher類型

znode節(jié)點可以設置兩類watch，一種是DataWatches，基于znode節(jié)點的數(shù)據(jù)變更從而觸發(fā) watch 事件，觸發(fā)條件getData()、exists()、setData()、 create()。

另一種是Child Watches，基于znode的孩子節(jié)點發(fā)生變更觸發(fā)的watch事件，觸發(fā)條件 getChildren()、 create()。

而在調(diào)用 delete() 方法刪除znode時，則會同時觸發(fā)Data Watches和Child Watches，如果被刪除的節(jié)點還有父節(jié)點，則父節(jié)點會觸發(fā)一個Child Watches。

3、watcher特性

watch對節(jié)點的監(jiān)聽事件是一次性的！客戶端在指定的節(jié)點設置了監(jiān)聽watch，一旦該節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)生變更通知一次客戶端后，客戶端對該節(jié)點的監(jiān)聽事件就失效了。

如果還要繼續(xù)監(jiān)聽這個節(jié)點，就需要我們在客戶端的監(jiān)聽回調(diào)中，再次對節(jié)點的監(jiān)聽watch事件設置為True。否則客戶端只能接收到一次該節(jié)點的變更通知。

zookeeper 實現(xiàn)的功能

服務的注冊與發(fā)現(xiàn)功能只是zookeeper的冰山一角，它還能實現(xiàn)諸如分布式鎖、隊列、配置中心等一系列功能，接下來我們只分析一下原理，具體的實現(xiàn)大家上網(wǎng)查一下資料還是比較全的。

1、分布式鎖

zookeeper基于watcher機制和znode的有序節(jié)點，天生就是一個分布式鎖的坯子。首先創(chuàng)建一個/test/lock父節(jié)點作為一把鎖，盡量是持久節(jié)點（PERSISTENT類型），每個嘗試獲取這把鎖的客戶端，在/test/lock父節(jié)點下創(chuàng)建臨時順序子節(jié)點。

由于序號的遞增性，我們規(guī)定序號最小的節(jié)點即獲得鎖。例如：客戶端來獲取鎖，在/test/lock節(jié)點下創(chuàng)建節(jié)點為/test/lock/seq-00000001，它是最小的所以它優(yōu)先拿到了鎖，其它節(jié)點等待通知再次獲取鎖。/test/lock/seq-00000001執(zhí)行完自己的邏輯后刪除節(jié)點釋放鎖。

那么節(jié)點/test/lock/seq-00000002想要獲取鎖等誰的通知呢？

這里我們讓/test/lock/seq-00000002節(jié)點監(jiān)聽/test/lock/seq-00000001節(jié)點，一旦/test/lock/seq-00000001節(jié)點刪除，則通知/test/lock/seq-00000002節(jié)點，讓它再次判斷自己是不是最小的節(jié)點，是則拿到鎖，不是繼續(xù)等通知。

以此類推/test/lock/seq-00000003節(jié)點監(jiān)聽/test/lock/seq-00000002節(jié)點，總是讓后一個節(jié)點監(jiān)聽前一個節(jié)點，不用讓所有節(jié)點都監(jiān)聽最小的節(jié)點，避免設置不必要的監(jiān)聽，以免造成大量無效的通知，形成“羊群效應”。

zookeeper分布式鎖和redis分布式鎖相比，因為大量的創(chuàng)建、刪除節(jié)點性能上比較差，并不是很推薦。

2、分布式隊列

zookeeper實現(xiàn)分布式隊列也很簡單，應用znode的有序節(jié)點天然的“先進先出”，后創(chuàng)建的節(jié)點總是最大的，出隊總是拿序號最小的節(jié)點即可。

3、配置管理

現(xiàn)在有很多開源項目都在使用Zookeeper來維護配置，像消息隊列Kafka中，就使用Zookeeper來維護broker的信息；dubbo中管理服務的配置信息。原理也是基于watcher機制，例如：創(chuàng)建一個/config節(jié)點存放一些配置，客戶端監(jiān)聽這個節(jié)點，一點修改/config節(jié)點的配置信息，通知各個客戶端數(shù)據(jù)變更重新拉取配置信息。

4、命名服務

zookeeper的命名服務：也就是我們常說的服務注冊與發(fā)現(xiàn)，主要是根據(jù)指定名字來獲取資源或服務的地址，服務提供者等信息，利用其znode節(jié)點的特點和watcher機制，將其作為動態(tài)注冊和獲取服務信息的配置中心，統(tǒng)一管理服務名稱和其對應的服務器列表信息，我們能夠近乎實時地感知到后端服務器的狀態(tài)(上線、下線、宕機)。