Kafka学习笔记（4）----Kafka的Leader Election

1. Zookeeper的基本操作

　　zookeeper中的节点可以持久化/有序的两个维度分为四种类型：

　　PERSIST：持久化无序（保存在磁盘中）

　　PERSIST_SEQUENTIAL：持久化有序递增

　　EPHEMERAL：非持久化的无序的，保存在内存中，当客户端关闭后消失。

　　EPHEMERAL_SEQUENTIAL：非持久有序递增，保存在内存中，当客户端关闭后消失

　　每个节点都可以注册Watch操作，用于监听节点的变化，有四种事件类型如下：

　　Created event: Enabled with a call to exists

　　Deleted event: Enabled with a call to exists, getData, and getChildren

　　Changed event: Enabled with a call to exists and getData

　　Child event: Enabled with a call to getChildren

　　Watch的基本特征是客户端先得到通知，然后才能得到数据，Watch被fire之后就立即取消了，不会再有Watch后续变化，想要监听只能重新注册；

使用原生Zookeeper创建节点和监听节点变化代码如下：

　　1. 引入依赖，pom.xml

 <dependency>
      <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
      <artifactId>zookeeper</artifactId>
      <version>3.4.13</version>
    </dependency>

　　2. 客户端连接类

package com.wangx.kafka.zk;

import org.apache.zookeeper.*;

import java.io.IOException;

public class ZkDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException, KeeperException, InterruptedException {
        //创建链接，并监听连接状态
        ZooKeeper zooKeeper = new ZooKeeper("node1:2181", 5000, new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                System.out.println("链接客户端");
                System.out.println(watchedEvent.getState());
            }
        });
        //创建节点，/parent:节点路径， data.xx：数据，Ids：设置权限CreateNode.PERSISTENT：创建节点类型
        String parent = zooKeeper.create("/parent","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT);
        //监听节点变化
        zooKeeper.exists("/testRoot", new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                System.out.println("state" + watchedEvent.getState());
            }
        });
       System.out.println(parent);
        Thread.sleep(10000000);
    }
}

　　运行创建一个持久化的节点。

　　查看客户端可以看到：

　　

　　parent节点创建成功。

　　删除parent节点，观察watche变化。

　　控制台打印：

　　

　　表示监听了删除节点事件，此时再在客户端手动创建节点，观察变化

　　

　　控制台并没有打印任何创建信息，说明没有监听到，这就是我们说的一旦watche被fire之后就会被关闭，此时改造一下代码：

package com.wangx.kafka.zk;

import org.apache.zookeeper.*;

import java.io.IOException;

public class ZkDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException, KeeperException, InterruptedException {
        //创建链接，并监听连接状态
        final ZooKeeper zooKeeper = new ZooKeeper("node1:2181", 5000, new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                System.out.println("链接客户端");
                System.out.println(watchedEvent.getState());
            }
        });
        //创建节点
        String parent = zooKeeper.create("/parent","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT);
        //监听节点变化
        zooKeeper.exists("/parent", new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                System.out.println("state" + watchedEvent.getState());
                try {
                   //重新注册监听事件
                    zooKeeper.exists("/parent", this);
                } catch (KeeperException e) {
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
//        System.out.println(newNode);
        Thread.sleep(10000000);
    }
}

　　删除节点，再手动创建节点：

　　

　　控制台打印如下：

　　

　　这样创建节点的事件就又被重新注册并监听到了。

2. 基于Zookeeper的Leader Election

　　1. 抢注Leader节点——非公平模式

　　编码流程：

　　1. 创建Leader父节点，如/chroot，并将其设置为persist节点

　　2. 各客户端通过在/chroot下创建Leader节点，如/chroot/leader，来竞争Leader。该节点应被设置为ephemeral

　　3. 若某创建Leader节点成功，则该客户端成功竞选为Leader

　　4. 若创建Leader节点失败，则竞选Leader失败，在/chroot/leader节点上注册exist的watch，一旦该节点被删除则获得通知

　　5. Leader可通过删除Leader节点来放弃Leader

　　6. 如果Leader宕机，由于Leader节点被设置为ephemeral，Leader节点会自行删除。而其它节点由于在Leader节点上注册了watch，故可得到通知，参与下一轮竞选，从而保证总有客户端以Leader角色工作。

　　实现代码如下：

package com.wangx.kafka.zk;

import org.apache.zookeeper.*;

import java.io.IOException;

public class ZkDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException, KeeperException, InterruptedException {
        //创建链接，并监听连接状态
        final ZooKeeper zooKeeper = new ZooKeeper("node1:2181", 5000, new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                System.out.println("链接客户端");
                System.out.println(watchedEvent.getState());
            }
        });
        //创建节点
        String parent = zooKeeper.create("/parent","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT);

        //监听节点变化
        zooKeeper.exists("/parent", new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                System.out.println("state" + watchedEvent.getState());
                try {
                    zooKeeper.exists("/parent", this);
                } catch (KeeperException e) {
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        String newNode1 = zooKeeper.create("/parent/node","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL);
        String newNode2 = zooKeeper.create("/parent/node","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL);
        String newNode3 = zooKeeper.create("/parent/node","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL);
//        System.out.println(newNode);
        Thread.sleep(10000000);
    }
}

　　当存在节点之后，会抛出异常，这样就会导致节点创建不成功，所以只有创建成功的node才能成为leader。使用watcher监听可以在节点被删除或宕机之后来抢占leader.

　　2.  先到先得，后者监视前者——公平模式

　　1. 创建Leader父节点，如/chroot，并将其设置为persist节点

　　2. 各客户端通过在/chroot下创建Leader节点，如/chroot/leader，来竞争Leader。该节点应被设置为ephemeral_sequential

　　3. 客户端通过getChildren方法获取/chroot/下所有子节点，如果其注册的节点的id在所有子节点中最小，则当前客户端竞选Leader成功

　　4. 否则，在前面一个节点上注册watch，一旦前者被删除，则它得到通知，返回step 3（并不能直接认为自己成为新Leader，因为可能前面的节点只是宕机了）

　　5. Leader节点可通过自行删除自己创建的节点以放弃Leader

　　代码实现如下：

package com.wangx.kafka.zk;

import org.apache.zookeeper.*;

import java.io.IOException;

public class ZkDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException, KeeperException, InterruptedException {
        //创建链接，并监听连接状态
        final ZooKeeper zooKeeper = new ZooKeeper("node1:2181", 5000, new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                System.out.println("链接客户端");
                System.out.println(watchedEvent.getState());
            }
        });
        //创建节点
        String parent = zooKeeper.create("/parent","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT);

        //监听节点变化
        zooKeeper.exists("/parent", new Watcher() {
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                System.out.println("state" + watchedEvent.getState());
                try {
                    zooKeeper.exists("/parent", this);
                } catch (KeeperException e) {
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        
        String newNode1 = zooKeeper.create("/parent/node","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        String newNode2 = zooKeeper.create("/parent/node","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        String newNode3 = zooKeeper.create("/parent/node","data".getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
//        System.out.println(newNode);
        Thread.sleep(10000000);
    }
}

　　可以看到zk中的parent下多出了三个节点：

　　

　　默认以node+十个十进制数命名节点名称，数据递增。

　　当id在所有子节点中最小，选举成为leader.

3. Leader Election在Curator中的实现

　　手下引入Curator依赖，pom.xml如下：

 <dependency>
      <groupId>org.apache.curator</groupId>
      <artifactId>curator-framework</artifactId>
      <version>3.2.1</version>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>org.apache.curator</groupId>
      <artifactId>curator-recipes</artifactId>
      <version>3.2.1</version>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>org.apache.curator</groupId>
      <artifactId>curator-client</artifactId>
      <version>3.2.1</version>
    </dependency>

　　1. Curator LeaderLatch特点及api的作用：

　　1. 竞选为Leader后，不可自行放弃领导权

　　2. 只能通过close方法放弃领导权

　　3. 强烈建议增加ConnectionStateListener，当连接SUSPENDED或者LOST时视为丢失领导权

　　4. 可通过await方法等待成功获取领导权，并可加入timeout

　　5. 可通过hasLeadership方法判断是否为Leader

　　6. 可通过getLeader方法获取当前Leader

　　7. 可通过getParticipants方法获取当前竞选Leader的参与方

　　简单实现：

package com.wangx.kafka.zk;

import org.apache.curator.RetryPolicy;
import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.framework.recipes.leader.LeaderLatch;
import org.apache.curator.framework.recipes.leader.LeaderLatchListener;
import org.apache.curator.retry.ExponentialBackoffRetry;

public class CuratorLeaderLatch {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //设置重试策略，这里是沉睡一秒后开始重试，重试五次
        RetryPolicy retryPolicy = new ExponentialBackoffRetry(1000,5);
        //通过工厂类获取curatorFramework
        CuratorFramework curatorFramework = CuratorFrameworkFactory.newClient("node1:2181",retryPolicy);
        //leader节点创建
        LeaderLatch leaderLatch = new LeaderLatch(curatorFramework,"/parent","node");
        //监听leader节点
        leaderLatch.addListener(new LeaderLatchListener() {
            //当前节点是leader时回调
            public void isLeader() {
                System.out.println("I am a listener");
            }
            //不再是leader时回调
            public void notLeader() {
                System.out.println("I am not a  listener");
            }
        });
        //启动
        curatorFramework.start();
        leaderLatch.start();
        Thread.sleep(100000000);
        leaderLatch.close();
        curatorFramework.close();
    }
}

　　2. Curator LeaderSelector特点及api的作用：

　　1. 竞选Leader成功后回调takeLeadership方法

　　2. 可在takeLeadership方法中实现业务逻辑

　　3. 一旦takeLeadership方法返回，即视为放弃领导权

　　4. 可通过autoRequeue方法循环获取领导权

　　5. 可通过hasLeadership方法判断是否为Leader

　　6. 可通过getLeader方法获取当前Leader

　　7. 可通过getParticipants方法获取当前竞选Leader的参与方

简单实现：

package com.wangx.kafka.zk;

import org.apache.curator.RetryPolicy;
import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.framework.recipes.leader.*;
import org.apache.curator.retry.ExponentialBackoffRetry;

public class CuratorLeaderSelector {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //设置重试策略，这里是沉睡一秒后开始重试，重试五次
        RetryPolicy retryPolicy = new ExponentialBackoffRetry(1000,5);
        //通过工厂类获取curatorFramework
        CuratorFramework curatorFramework = CuratorFrameworkFactory.newClient("node1:2181",retryPolicy);
        //leader节点创建,监听Leader状态，并在takeLeadership回调函数中做自己的业务逻辑
        LeaderSelector leaderSelector = new LeaderSelector(curatorFramework,"/node", new LeaderSelectorListenerAdapter() {
            public void takeLeadership(CuratorFramework curatorFramework) throws Exception {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("启动了 takeLeadership");
            }
        });
        leaderSelector.autoRequeue();
        leaderSelector.start();
        //启动
        curatorFramework.start();
        Thread.sleep(100000000);
        leaderSelector.close();
        curatorFramework.close();
    }
}

　　这里的LeaderSelectorListenerAdapter实现了LeaderSelectorListener接口，源码如下：

//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by Fernflower decompiler)
//

package org.apache.curator.framework.recipes.leader;

import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.state.ConnectionState;

public abstract class LeaderSelectorListenerAdapter implements LeaderSelectorListener {
    public LeaderSelectorListenerAdapter() {
    }
    //当连接失败时，会抛出异常，这样就会中断takeLeadership方法，防止业务逻辑错误操作
    public void stateChanged(CuratorFramework client, ConnectionState newState) {
        if (client.getConnectionStateErrorPolicy().isErrorState(newState)) {
            throw new CancelLeadershipException();
        }
    }
}

4. Kafka的Leader Election

　　1. Kafka“各自为政”Leader Election

　　每个Partition的多个Replica同时竞争Leader，这样做的好处是实现起来比较简单，但是同样出现的问题的就是Herd Effect（可能会有很多的leader节点），Zookeeper负载过重，Latency较大（可能会产生很多其他的问题）

　　2. Kafka基于Controller的Leader Election

　　原理是在整个集群中选举出一个Broker作为Controller，Controller为所有Topic的所有Partition指定Leader及Follower，Kafka通过在zookeeper上创建/controller临时节点来实现leader选举，并在该节点中写入当前broker的信息 {“version”:1,”brokerid”:1,”timestamp”:”1512018424988”} 

　　利用Zookeeper的强一致性特性，一个节点只能被一个客户端创建成功，创建成功的broker即为leader，即先到先得原则，leader也就是集群中的controller，负责集群中所有大小事务。 当leader和zookeeper失去连接时，临时节点会删除，而其他broker会监听该节点的变化，当节点删除时，其他broker会收到事件通知，重新发起leader选举。

　　这样做极大缓解Herd Effect问题，减轻Zookeeper负载，Controller与Leader及Follower间通过RPC通信，高效且实时，但是由于引入Controller增加了复杂度，同时需要考虑Controller的Failover（容错）