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從零到一 之 ZooKeeper（一）
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簡介
ZooKeeper 提供了一種分布式應用程序的高性能協同服務。它封裝了一些基礎公共服務，例如：命名，配置管理，同步和組服務，並提供簡單易用的開發接口。我們可以利用 ZooKeeper 來直接實現一致性，組管理，領導選舉和存在協議等功能。當然，我們也可以利用它實現我們特殊的需求。
概覽
ZooKeeper 是一種分布式、開源的協同服務。它暴露了一組簡單的原語，分布式應用程序可以基於該原語組，實現更高級的服務，如同步、配置維護、組別和命名。它是一種編程友好型的設計，並采用大家熟悉的文件係統的目錄樹結構作為數據模型，可以用 Java 運行，也可以和 C 綁定。
協同服務很難正確運行，經常出現競爭危害和死鎖。ZooKeeper 的目的就是降低協同服務實現與維護的成本。
設計目標
易用性，ZooKeeper 允許分布式進程通過與標準文件係統類似的**共享層次命名空間**互相協同。命名空間由數據節點（znodes）組成，類似於文件與目錄。與專為存儲設計的典型文件係統不同，ZooKeeper的數據都保存在內存中，以獲得高吞吐和低時延的特性。
ZooKeeper實現了高性能、高可用和嚴格有序。高性能意味著可以被應用在大型分布式係統，高可用則避免了單點故障的風險，嚴格有序保證了複雜的同步原語可以在客戶端實現。
可複製，就像它所協同的分布式進程一樣，ZooKeeper 的組件也是可複製的
構成 ZooKeeper 服務的服務器必須互相感知，它們各自維護了一張相同的內存狀態鏡像，以及持久存儲的事務日誌與快照，隻要大部分的服務器可用，ZooKeeper 的服務就可以正常運行。
客戶端會維護與某一台 ZooKeeper 服務器的 TCP 長連接，並通過該連接進行請求發送，響應接收，監聽事件獲取與心跳檢測。如果當前 TCP 長連接斷開，客戶端會向另一台服務器發起連接請求。
有序性，ZooKeeper 為每一次更新標記了一個序號，以反映所有事務的順序。後續操作可以使用該序號實現更高級的抽象，例如同步原語。
速度快，ZooKeeper 在“讀頻繁”工作流中表現非常快，在數千台集群中運行，讀寫比為 10:1 時，性能最好。
數據模型與層次命名空間
ZooKeeper 提供的命名空間類似於標準文件係統，名稱是以斜杠(/)分隔的路徑元素序列。ZooKeeper 命名空間中的每個節點都有唯一的路徑標識。
不同於標準文件係統，ZooKeeper 命名空間中的每個節點都可以持有數據與子節點（文件亦是目錄）。ZooKeeper 被設計用於存儲協同數據，如狀態信息，配置，位置信息等，因此存儲在每個節點上的數據量都比較小，一般不到1KB。接下來，我們采用術語 znode 表明我們正在談論 ZooKeeper 中的數據節點。
znode 維護一了個統計結構，其中包含數據變更，ACL變更與時間戳的版本號，以允許緩存驗證和協調更新。每次 znode 的數據發生變化時，它的版本號都會增加。例如，每當客戶端檢索數據時，它也會收到該數據的版本信息。
命名空間中每個 znode 存儲的數據，都以原子方式進行讀取與寫入。讀取將獲得該 znode 關聯的所有數據字節，寫入則替換所有數據。每個節點都有一個訪問控製列表（ACL），它限製誰可以做什麼。
ZooKeeper 還提供了一種臨時節點，它們的生命周期取決於創建它們的會話（session），當會話結束時，臨時節點將會被刪除。
條件更新與監聽
ZooKeeper 支持監聽功能。客戶端可以在 znode 上設置一個監聽器，當 znode 發生變更時，監聽器將被觸發並移除，與此同時，客戶端將收到一個表示 znode 變更的數據包。此外，如果客戶端與 ZooKeeper 服務器的 TCP 連接斷開時，客戶端將收到一個本地通知。
保證
ZooKeeper 既簡單又快速，由於其目標是提供基礎原語，以構建更為複雜的服務，因此，它提供了一係列的保證。
- 順序一致性，客戶端的更新將按照他們發送的順序執行；
- 原子性，更新成功或失敗，沒有中間狀態；
- 單一係統映像，無論客戶端連接的是哪一台服務器，它們看到的服務視圖都是相同的；
- 可靠性，一旦更新成功，它將一直持續到被下一個客戶端更新覆蓋；
- 及時性，客戶端看到的係統視圖，在一定時間範圍內保證是最新的。
簡單 API
ZooKeeper 的設計目標之一是提供非常簡單的可編程接口，因此，它隻提供如下操作：
- 創建(creat)，在目錄樹中某個位置創建一個節點；
- 刪除(delete)，刪除一個節點；
- 存在性檢查(exists)，測試節點是否存在於某個位置；
- 獲取數據(get data)，從節點中讀取數據；
- 設置數據(set data)，向節點中寫入數據；
- 獲取子節點(get children)，檢索節點的子節點列表；
- 同步(syc)，等待數據傳播。
實現
下圖展示了 ZooKeeper 服務的高級組件。除了請求處理器之外，組成 ZooKeeper 服務的每個服務器都會對自身的組件進行複製備份。
複製數據庫是包含完整數據樹的內存數據庫，它將更新記錄到磁盤以獲取可恢複性，並將寫入數據也序列化到磁盤上，然後再更新內存數據庫。
每個 ZooKeeper 服務器都為客戶端提供服務。客戶端需要連接到一個服務器上，才能提交請求。客戶端的讀請求，實際上是請求存儲在本地的服務端數據庫的備份。服務狀態更改請求與寫入請求則是通過一種一致性協議處理。
一致性協議規定了所有客戶端寫請求都將被轉發至單個服務器，即領導節點(Leader)。其他的 ZooKeeper 服務器被稱為 追隨者（Followers），它們接收來自 Leader 的消息提議，然後對消息的傳遞進行表決。消息傳遞層負責將 Followers 同步給 Leader，並在 Leader 發生故障時暫代履責。
ZooKeeper 使用自定義的原子消息協議，由於消息層是原子的，因此可以保證 ZooKeeper 的本地副本不會發散（保持統一），當 Leader 收到寫請求時，它會計算寫請求執行時的係統狀態是什麼，並將其轉換成捕獲該新狀態的事務操作。
最後更新：2017-08-24 12:03:56