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ZooKeeper是Hadoop Ecosystem中非常重要的元件，它的主要功能是為分散式系統提供一致性協調(Coordination)服務，與之對應的Google的類似服務叫Chubby。今天這篇文章分為三個部分來介紹ZooKeeper，第一部分介紹ZooKeeper的基本原理，第二部分介紹ZooKeeper提供的Client API的使用，第三部分介紹一些ZooKeeper典型的應用場景。

ZooKeeper基本原理

1. 資料模型

如上圖所示，ZooKeeper資料模型的結構與Unix檔案系統很類似，整體上可以看作是一棵樹，每個節點稱做一個ZNode。每個ZNode都可以通過其路徑唯一標識，比如上圖中第三層的第一個ZNode, 它的路徑是/app1/c1。在每個ZNode上可儲存少量資料(預設是1M, 可以通過配置修改, 通常不建議在ZNode上儲存大量的資料)，這個特性非常有用，在後面的典型應用場景中會介紹到。另外，每個ZNode上還儲存了其Acl資訊，這裡需要注意，雖說ZNode的樹形結構跟Unix檔案系統很類似，但是其Acl與Unix檔案系統是完全不同的，每個ZNode的Acl的獨立的，子結點不會繼承父結點的，關於ZooKeeper中的Acl可以參考之前寫過的一篇文章《

2.重要概念
2.1 ZNode
前文已介紹了ZNode, ZNode根據其本身的特性，可以分為下面兩類：

• Regular ZNode: 常規型ZNode, 使用者需要顯式的建立、刪除
• Ephemeral ZNode: 臨時型ZNode, 使用者建立它之後，可以顯式的刪除，也可以在建立它的Session結束後，由ZooKeeper Server自動刪除

ZNode還有一個Sequential的特性，如果建立的時候指定的話，該ZNode的名字後面會自動Append一個不斷增加的SequenceNo。

2.2 Session
Client與ZooKeeper之間的通訊，需要建立一個Session，這個Session會有一個超時時間。因為ZooKeeper叢集會把Client的Session資訊持久化，所以在Session沒超時之前，Client與ZooKeeper Server的連線可以在各個ZooKeeper Server之間透明地移動。

在實際的應用中，如果Client與Server之間的通訊足夠頻繁，Session的維護就不需要其它額外的訊息了。否則，ZooKeeper Client會每t/3 ms發一次心跳給Server，如果Client 2t/3 ms沒收到來自Server的心跳回應，就會換到一個新的ZooKeeper Server上。這裡t是使用者配置的Session的超時時間。

2.3 Watcher
ZooKeeper支援一種Watch操作，Client可以在某個ZNode上設定一個Watcher，來Watch該ZNode上的變化。如果該ZNode上有相應的變化，就會觸發這個Watcher，把相應的事件通知給設定Watcher的Client。需要注意的是，ZooKeeper中的Watcher是一次性的，即觸發一次就會被取消，如果想繼續Watch的話，需要客戶端重新設定Watcher。這個跟epoll裡的oneshot模式有點類似。

3. ZooKeeper特性
3.1 讀、寫(更新)模式
在ZooKeeper叢集中，讀可以從任意一個ZooKeeper Server讀，這一點是保證ZooKeeper比較好的讀效能的關鍵；寫的請求會先Forwarder到Leader，然後由Leader來通過ZooKeeper中的原子廣播協議，將請求廣播給所有的Follower，Leader收到一半以上的寫成功的Ack後，就認為該寫成功了，就會將該寫進行持久化，並告訴客戶端寫成功了。

3.2 WAL和Snapshot
和大多數分散式系統一樣，ZooKeeper也有WAL(Write-Ahead-Log)，對於每一個更新操作，ZooKeeper都會先寫WAL, 然後再對記憶體中的資料做更新，然後向Client通知更新結果。另外，ZooKeeper還會定期將記憶體中的目錄樹進行Snapshot，落地到磁碟上，這個跟HDFS中的FSImage是比較類似的。這麼做的主要目的，一當然是資料的持久化，二是加快重啟之後的恢復速度，如果全部通過Replay WAL的形式恢復的話，會比較慢。

3.3 FIFO
對於每一個ZooKeeper客戶端而言，所有的操作都是遵循FIFO順序的，這一特性是由下面兩個基本特性來保證的：一是ZooKeeper Client與Server之間的網路通訊是基於TCP，TCP保證了Client/Server之間傳輸包的順序；二是ZooKeeper Server執行客戶端請求也是嚴格按照FIFO順序的。

3.4 Linearizability
在ZooKeeper中，所有的更新操作都有嚴格的偏序關係，更新操作都是序列執行的，這一點是保證ZooKeeper功能正確性的關鍵。

ZooKeeper Client API

ZooKeeper Client Library提供了豐富直觀的API供使用者程式使用，下面是一些常用的API：

• create(path, data, flags): 建立一個ZNode, path是其路徑，data是要儲存在該ZNode上的資料，flags常用的有: PERSISTEN, PERSISTENT_SEQUENTAIL, EPHEMERAL, EPHEMERAL_SEQUENTAIL
• delete(path, version): 刪除一個ZNode，可以通過version刪除指定的版本, 如果version是-1的話，表示刪除所有的版本
• exists(path, watch): 判斷指定ZNode是否存在，並設定是否Watch這個ZNode。這裡如果要設定Watcher的話，Watcher是在建立ZooKeeper例項時指定的，如果要設定特定的Watcher的話，可以呼叫另一個過載版本的exists(path, watcher)。以下幾個帶watch引數的API也都類似
• getData(path, watch): 讀取指定ZNode上的資料，並設定是否watch這個ZNode
• setData(path, watch): 更新指定ZNode的資料，並設定是否Watch這個ZNode
• getChildren(path, watch): 獲取指定ZNode的所有子ZNode的名字，並設定是否Watch這個ZNode
• sync(path): 把所有在sync之前的更新操作都進行同步，達到每個請求都在半數以上的ZooKeeper Server上生效。path引數目前沒有用
• setAcl(path, acl): 設定指定ZNode的Acl資訊
• getAcl(path): 獲取指定ZNode的Acl資訊

ZooKeeper典型應用場景

1. 名字服務(NameService)
分散式應用中，通常需要一套完備的命令機制，既能產生唯一的標識，又方便人識別和記憶。 我們知道，每個ZNode都可以由其路徑唯一標識，路徑本身也比較簡潔直觀，另外ZNode上還可以儲存少量資料，這些都是實現統一的NameService的基礎。下面以在HDFS中實現NameService為例，來說明實現NameService的基本布驟:

• 目標：通過簡單的名字來訪問指定的HDFS機群
• 定義命名規則：這裡要做到簡潔易記憶。下面是一種可選的方案： [serviceScheme://][zkCluster]-[clusterName]，比如hdfs://lgprc-example/表示基於lgprc ZooKeeper叢集的用來做example的HDFS叢集
• 配置DNS對映: 將zkCluster的標識lgprc通過DNS解析到對應的ZooKeeper叢集的地址
• 建立ZNode: 在對應的ZooKeeper上建立/NameService/hdfs/lgprc-example結點，將HDFS的配置檔案儲存於該結點下
• 使用者程式要訪問hdfs://lgprc-example/的HDFS叢集，首先通過DNS找到lgprc的ZooKeeper機群的地址，然後在ZooKeeper的/NameService/hdfs/lgprc-example結點中讀取到HDFS的配置，進而根據得到的配置，得到HDFS的實際訪問入口

2. 配置管理(Configuration Management)
在分散式系統中，常會遇到這樣的場景: 某個Job的很多個例項在執行，它們在執行時大多數配置項是相同的，如果想要統一改某個配置，一個個例項去改，是比較低效，也是比較容易出錯的方式。通過ZooKeeper可以很好的解決這樣的問題，下面的基本的步驟：

• 將公共的配置內容放到ZooKeeper中某個ZNode上，比如/service/common-conf
• 所有的例項在啟動時都會傳入ZooKeeper叢集的入口地址，並且在執行過程中Watch /service/common-conf這個ZNode
• 如果叢集管理員修改了了common-conf，所有的例項都會被通知到，根據收到的通知更新自己的配置，並繼續Watch /service/common-conf

3. 組員管理(Group Membership)
在典型的Master-Slave結構的分散式系統中，Master需要作為“總管”來管理所有的Slave, 當有Slave加入，或者有Slave宕機，Master都需要感知到這個事情，然後作出對應的調整，以便不影響整個叢集對外提供服務。以HBase為例，HMaster管理了所有的RegionServer，當有新的RegionServer加入的時候，HMaster需要分配一些Region到該RegionServer上去，讓其提供服務；當有RegionServer宕機時，HMaster需要將該RegionServer之前服務的Region都重新分配到當前正在提供服務的其它RegionServer上，以便不影響客戶端的正常訪問。下面是這種場景下使用ZooKeeper的基本步驟：

• Master在ZooKeeper上建立/service/slaves結點，並設定對該結點的Watcher
• 每個Slave在啟動成功後，建立唯一標識自己的臨時性(Ephemeral)結點/service/slaves/${slave_id}，並將自己地址(ip/port)等相關資訊寫入該結點
• Master收到有新子結點加入的通知後，做相應的處理
• 如果有Slave宕機，由於它所對應的結點是臨時性結點，在它的Session超時後，ZooKeeper會自動刪除該結點
• Master收到有子結點消失的通知，做相應的處理

4. 簡單互斥鎖(Simple Lock)
我們知識，在傳統的應用程式中，執行緒、程序的同步，都可以通過作業系統提供的機制來完成。但是在分散式系統中，多個程序之間的同步，作業系統層面就無能為力了。這時候就需要像ZooKeeper這樣的分散式的協調(Coordination)服務來協助完成同步，下面是用ZooKeeper實現簡單的互斥鎖的步驟，這個可以和執行緒間同步的mutex做類比來理解：

• 多個程序嘗試去在指定的目錄下去建立一個臨時性(Ephemeral)結點 /locks/my_lock
• ZooKeeper能保證，只會有一個程序成功建立該結點，建立結點成功的程序就是搶到鎖的程序，假設該程序為A
• 其它程序都對/locks/my_lock進行Watch
• 當A程序不再需要鎖，可以顯式刪除/locks/my_lock釋放鎖；或者是A程序宕機後Session超時，ZooKeeper系統自動刪除/locks/my_lock結點釋放鎖。此時，其它程序就會收到ZooKeeper的通知，並嘗試去建立/locks/my_lock搶鎖，如此迴圈反覆

5. 互斥鎖(Simple Lock without Herd Effect)
上一節的例子中有一個問題，每次搶鎖都會有大量的程序去競爭，會造成羊群效應(Herd Effect)，為了解決這個問題，我們可以通過下面的步驟來改進上述過程：

• 每個程序都在ZooKeeper上建立一個臨時的順序結點(Ephemeral Sequential) /locks/lock_${seq}
• ${seq}最小的為當前的持鎖者(${seq}是ZooKeeper生成的Sequenctial Number)
• 其它程序都對只watch比它次小的程序對應的結點，比如2 watch 1, 3 watch 2, 以此類推
• 當前持鎖者釋放鎖後，比它次大的程序就會收到ZooKeeper的通知，它成為新的持鎖者，如此迴圈反覆

這裡需要補充一點，通常在分散式系統中用ZooKeeper來做Leader Election(選主)就是通過上面的機制來實現的，這裡的持鎖者就是當前的“主”。

6. 讀寫鎖(Read/Write Lock)
我們知道，讀寫鎖跟互斥鎖相比不同的地方是，它分成了讀和寫兩種模式，多個讀可以併發執行，但寫和讀、寫都互斥，不能同時執行行。利用ZooKeeper，在上面的基礎上，稍做修改也可以實現傳統的讀寫鎖的語義，下面是基本的步驟:

• 每個程序都在ZooKeeper上建立一個臨時的順序結點(Ephemeral Sequential) /locks/lock_${seq}
• ${seq}最小的一個或多個結點為當前的持鎖者，多個是因為多個讀可以併發
• 需要寫鎖的程序，Watch比它次小的程序對應的結點
• 需要讀鎖的程序，Watch比它小的最後一個寫程序對應的結點
• 當前結點釋放鎖後，所有Watch該結點的程序都會被通知到，他們成為新的持鎖者，如此迴圈反覆

7. 屏障(Barrier)
在分散式系統中，屏障是這樣一種語義: 客戶端需要等待多個程序完成各自的任務，然後才能繼續往前進行下一步。下用是用ZooKeeper來實現屏障的基本步驟：

• Client在ZooKeeper上建立屏障結點/barrier/my_barrier，並啟動執行各個任務的程序
• Client通過exist()來Watch /barrier/my_barrier結點
• 每個任務程序在完成任務後，去檢查是否達到指定的條件，如果沒達到就啥也不做，如果達到了就把/barrier/my_barrier結點刪除
• Client收到/barrier/my_barrier被刪除的通知，屏障消失，繼續下一步任務

8. 雙屏障(Double Barrier)
雙屏障是這樣一種語義: 它可以用來同步一個任務的開始和結束，當有足夠多的程序進入屏障後，才開始執行任務；當所有的程序都執行完各自的任務後，屏障才撤銷。下面是用ZooKeeper來實現雙屏障的基本步驟：