Zookeeper是什么，为什么要用，怎么用？

关于Zookeeper的全面相识与应用

前言：这几天在开发过程中，碰到了zk相关的一些问题，大要先复习下
Zookeeper作为分布式系统中的协调服务，起着至关告急的脚色。本篇文章将从以下几个方面具体讲授什么是Zookeeper，为什么要使用Zookeeper，如何使用Zookeeper，以及它的工作原理。通过本篇文章，大家将全面相识并掌握Zookeeper的使用。
  

• 1. 什么是Zookeeper
  
• 2. 为什么使用Zookeeper
  
• 3. Zookeeper的基本概念
  
• 4. 如何使用Zookeeper
  
  
  
  • 4.1 安装Zookeeper
    
  • 4.2 启动Zookeeper服务器
    
  • 4.3 使用Zookeeper客户端
    
  
  
• 5. Zookeeper的工作原理
  
  
  
  • 5.1 Zookeeper的数据结构
    
  • 5.2 选举过程
    
  • 5.3 写操作的处理
    
  • 5.4 读操作的处理
    
  
  
• 6. 实际案例：实现分布式锁
  
• 7. 总结
  

  1. 什么是Zookeeper

Zookeeper是一个开源的分布式协调服务，它提供了一种简单的、高性能的、高可用的协调机制。Zookeeper可以用来做配置管理、命名服务、分布式锁和集群管理等。它最初由雅虎开发，现在是Apache Software Foundation的顶级项目之一。
2. 为什么使用Zookeeper

在一个分布式系统中，多个节点之间需要进行协调和同步。常见的需求包罗：

• 配置管理：集中管理和发布配置文件，确保多个节点同等性。
  
• 命名服务：提供分布式系统中的命名剖析服务，如服务发现。
  
• 分布式锁：实现分布式环境下的互斥锁机制，确保资源的串行访问。
  
• 集群管理：管理和监控集群中的节点状态，进行故障检测和恢复。
  

Zookeeper基于其设计的强同等性和高可用性特点，高效地满意了分布式系统中的这些需求，增强了系统的稳固性和可靠性。
3. Zookeeper的基本概念

在深入相识Zookeeper的使用之前，我们需要相识一些基本概念：

• 节点（ZNode）：Zookeeper的数据结构是树状的，每个节点称为ZNode，每个ZNode都可以存储数据和子节点。
  
• 会话（Session）：客户端与Zookeeper服务器之间的毗连，每次毗连会生成一个唯一的Session ID。
  
• 访问控制（ACL）：控制对ZNode的访问权限，支持多种权限模式如读、写、创建、删除等。
  
• 事件关照（Watchers）：Zookeeper支持监听器机制，客户端可以注册监听器，当特定事件发生时，Zookeeper会关照客户端。
  

4. 如何使用Zookeeper

4.1 安装Zookeeper

从 Apache Zookeeper官网 下载Zookeeper安装包。解压后，配置 conf/zoo.cfg 文件如下：

1. tickTime=2000
2. dataDir=/var/zookeeper
3. clientPort=2181
4. initLimit=10
5. syncLimit=5
7. server.1=localhost:2888:3888
8. server.2=localhost:2889:3889
9. server.3=localhost:2890:3890

复制代码

4.2 启动Zookeeper服务器

在解压目次下，使用以下命令启动Zookeeper服务器：

1. bin/zkServer.sh start

复制代码

4.3 使用Zookeeper客户端

可以通过以下命令启动Zookeeper客户端：

1. bin/zkCli.sh -server localhost:2181

复制代码

然后，你可以在客户端执行创建、读取、更新和删除（CRUD）ZNode的命令，如下所示：

1. # 创建节点
2. create /myapp "Hello Zookeeper"
4. # 读取节点数据
5. get /myapp
7. # 更新节点数据
8. set /myapp "New Data"
10. # 删除节点
11. delete /myapp

复制代码

5. Zookeeper的工作原理

Zookeeper在分布式系统中的工作原理涉及多个方面：
5.1 Zookeeper的数据结构

Zookeeper的数据以树状目次结构存储，每个节点称为ZNode。ZNode可以保存数据和子节点。主要有两种类型的ZNode：

• 持久节点（Persistent ZNode）: 节点的生命周期与客户端会话无关，纵然客户端断开毗连，节点依然存在。
  
• 临时节点（Ephemeral ZNode）: 节点的生命周期依赖于客户端会话，当客户端断开毗连后，节点会自动删除。
  

5.2 选举过程

Zookeeper使用Zab协议（Zookeeper Atomic Broadcast）来实现分布式同等性。Zab协议包含两种模式：消息广播和领导者选举。在领导者选举过程中，全部节点会进行投票，选出一个唯一的领导者（Leader）。选举过程如下：

• 全部服务器启动后进入选举状态。
  
• 每个服务器投票给自己，并发送给其他服务器。
  
• 收到投票后进行比对，更新投票并再次发送。
  
• 重复投票过程，直到大多数服务器告竣同等，选出领导者。
  

5.3 写操作的处理

客户端发送写操作请求到Zookeeper，由Leader处理。Leader为请求分配事件ID（zxid），并将发起发给全部Follower。Follower收到发起并持久化后，发送确认信息给Leader。Leader收到半数以上Follower的确认后，提交事件，并关照全部Follower进行确认。
5.4 读操作的处理

读请求可以由任何服务器处理。客户端毗连到某个Zookeeper服务器，发起读请求。该服务器直接读取内容并返回给客户端。
6. 实际案例：实现分布式锁

在分布式系统中，分布式锁是一种常见需求。我们可以通过Zookeeper来实现分布式锁机制：
概述

通过创建临时次序节点来实现分布式锁的竞争，节点序列最小的获得锁，其余的监听比自己小的节点，释放锁时将节点删除，关照下一个节点进行竞争。
代码示例

1. import org.apache.zookeeper.*;
3. public class DistributedLock {
4.     private static final String LOCK_ROOT = "/locks";
5.     private ZooKeeper zk;
6.     private String lockNode;
8.     public DistributedLock(ZooKeeper zk) {
9.         this.zk = zk;
10.         try {
11.             if (zk.exists(LOCK_ROOT, false) == null) {
12.                 zk.create(LOCK_ROOT, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
13.             }
14.         } catch (Exception e) {
15.             e.printStackTrace();
16.         }
17.     }
19.     public void lock() {
20.         try {
21.             lockNode = zk.create(LOCK_ROOT + "/lock_", new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
22.             // Watch for the node preceding the created node
23.             while (true) {
24.                 List<String> children = zk.getChildren(LOCK_ROOT, false);
25.                 Collections.sort(children);
26.                 if (lockNode.endsWith(children.get(0))) {
27.                     break;
28.                 }
29.                 // Wait for the previous node to be deleted
30.                 int index = Collections.binarySearch(children, lockNode.substring(LOCK_ROOT.length() + 1));
31.                 String previousNode = children.get(index - 1);
32.                 final String previousNodePath = LOCK_ROOT + "/" + previousNode;
34.                 final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
35.                 zk.getData(previousNodePath, event -> {
36.                     if (event.getType() == Watcher.Event.EventType.NodeDeleted) {
37.                         latch.countDown();
38.                     }
39.                 }, null);
40.                 latch.await();
41.             }
42.         } catch (Exception e) {
43.             e.printStackTrace();
44.         }
45.     }
47.     public void unlock() {
48.         try {
49.             if (lockNode != null) {
50.                 zk.delete(lockNode, -1);
51.                 lockNode = null;
52.             }
53.         } catch (Exception e) {
54.             e.printStackTrace();
55.         }
56.     }
57. }

复制代码

使用示例

1. public class DistributedLockTest {
2.     public static void main(String[] args) throws Exception {
3.         ZooKeeper zk = new ZooKeeper("localhost:2181", 3000, null);
4.         DistributedLock lock = new DistributedLock(zk);
6.         lock.lock();
7.         System.out.println("Acquired lock!");
9.         // Perform some critical section operations
10.         Thread.sleep(2000);
12.         lock.unlock();
13.         System.out.println("Released lock!");
14.         zk.close();
15.     }
16. }

复制代码

7. 总结

Zookeeper作为分布式协调服务，广泛应用于各种分布式系统中。本篇文章具体介绍了Zookeeper的基本概念、使用方法和工作原理，并通过一个实际例子展示了如何实现分布式锁。盼望这篇文章能够帮助大家更好地明确和应用Zookeeper。
如有任何问题或建议，接待在评论区讨论交换！