zookeeper（四）：核心原理（Watcher、事件和状态）

zookeeper主要是为了统一分布式系统中各个节点的工作状态，在资源冲突的情况下协调提供节点资源抢占，提供给每个节点了解整个集群所处状态的途径。这一切的实现都依赖于zookeeper中的事件监听和通知机制。

zookeeper中的事件和状态

事件和状态构成了zookeeper客户端连接描述的两个维度。注意，网上很多帖子都是在介绍zookeeper客户端连接的事件，但是忽略了zookeeper客户端状态的变化也是要进行监听和通知的。这里我们通过下面的两个表详细介绍zookeeper中的事件和状态（zookeeper API中被定义为@Deprecated的事件和状态就不介绍了）。

zookeeper客户端与zookeeper server连接的状态

连接状态	状态含义
KeeperState.Expired	客户端和服务器在ticktime的时间周期内，是要发送心跳通知的。这是租约协议的一个实现。客户端发送request，告诉服务器其上一个租约时间，服务器收到这个请求后，告诉客户端其下一个租约时间是哪个时间点。当客户端时间戳达到最后一个租约时间，而没有收到服务器发来的任何新租约时间，即认为自己下线（此后客户端会废弃这次连接，并试图重新建立连接）。这个过期状态就是Expired状态
KeeperState.Disconnected	就像上面那个状态所述，当客户端断开一个连接（可能是租约期满，也可能是客户端主动断开）这是客户端和服务器的连接就是Disconnected状态
KeeperState.SyncConnected	一旦客户端和服务器的某一个节点建立连接（注意，虽然集群有多个节点，但是客户端一次连接到一个节点就行了），并完成一次version、zxid的同步，这时的客户端和服务器的连接状态就是SyncConnected
KeeperState.AuthFailed	zookeeper客户端进行连接认证失败时，发生该状态

需要说明的是，这些状态在触发时，所记录的事件类型都是：EventType.None。

zookeeper中的watch事件(当zookeeper客户端监听某个znode节点”/node-x”时)

zookeeper事件	事件含义
EventType.NodeCreated	当node-x这个节点被创建时，该事件被触发
EventType.NodeChildrenChanged	当node-x这个节点的直接子节点被创建、被删除、子节点数据发生变更时，该事件被触发。
EventType.NodeDataChanged	当node-x这个节点的数据发生变更时，该事件被触发
EventType.NodeDeleted	当node-x这个节点被删除时，该事件被触发。
EventType.None	当zookeeper客户端的连接状态发生变更时，即KeeperState.Expired、KeeperState.Disconnected、KeeperState.SyncConnected、KeeperState.AuthFailed状态切换时，描述的事件类型为EventType.None

watch机制

Znode发生变化（Znode本身的增加，删除，修改，以及子Znode的变化）可以通过Watch机制通知到客户端。那么要实现Watch，就必须实现org.apache.zookeeper.Watcher接口，并且将实现类的对象传入到可以Watch的方法中。Zookeeper中所有读操作（getData()，getChildren()，exists()）都可以设置Watch选项。Watch事件具有one-time trigger（一次性触发）的特性，如果Watch监视的Znode有变化，那么就会通知设置该Watch的客户端。

在上述说道的所有读操作中，如果需要Watcher，我们可以自定义Watcher，如果是Boolean型变量，当为true时，则使用系统默认的Watcher，系统默认的Watcher是在Zookeeper的构造函数中定义的Watcher。参数中Watcher为空或者false，表示不启用Wather。

watch特性1：一次性触发器

客户端在Znode设置了Watch时，如果Znode内容发生改变，那么客户端就会获得Watch事件。例如：客户端设置getData("/znode1", true)后，如果/znode1发生改变或者删除，那么客户端就会得到一个/znode1的Watch事件，但是/znode1再次发生变化，那客户端是无法收到Watch事件的，除非客户端设置了新的Watch。

watch特性2：发送至客户端

Watch事件是异步发送到Client。Zookeeper可以保证客户端发送过去的更新顺序是有序的。例如：某个Znode没有设置watcher，那么客户端对这个Znode设置Watcher发送到集群之前，该客户端是感知不到该Znode任何的改变情况的。换个角度来解释：由于Watch有一次性触发的特点，所以在服务器端没有Watcher的情况下，Znode的任何变更就不会通知到客户端。不过，即使某个Znode设置了Watcher，且在Znode有变化的情况下通知到了客户端，但是在客户端接收到这个变化事件，但是还没有再次设置Watcher之前，如果其他客户端对该Znode做了修改，这种情况下，Znode第二次的变化客户端是无法收到通知的。这可能是由于网络延迟或者是其他因素导致，所以我们使用Zookeeper不能期望能够监控到节点每次的变化。Zookeeper只能保证最终的一致性，而无法保证强一致性。

watch特性3：设置watch的数据内容

Znode改变有很多种方式，例如：节点创建，节点删除，节点改变，子节点改变等等。Zookeeper维护了两个Watch列表，一个节点数据Watch列表，另一个是子节点Watch列表。getData()和exists()设置数据Watch，getChildren()设置子节点Watch。两者选其一，可以让我们根据不同的返回结果选择不同的Watch方式，getData()和exists()返回节点的内容，getChildren()返回子节点列表。因此，setData()触发内容Watch，create()触发当前节点的内容Watch或者是其父节点的子节点Watch。delete()同时触发父节点的子节点Watch和内容Watch，以及子节点的内容Watch。

Zookeeper Watcher的运行机制

1，Watch是轻量级的，其实就是本地JVM的Callback，服务器端只是存了是否有设置了Watcher的布尔类型。（源码见：org.apache.zookeeper.server.FinalRequestProcessor）
2，在服务端，在FinalRequestProcessor处理对应的Znode操作时，会根据客户端传递的watcher变量，添加到对应的ZKDatabase（org.apache.zookeeper.server.ZKDatabase）中进行持久化存储，同时将自己NIOServerCnxn做为一个Watcher callback，监听服务端事件变化
3，Leader通过投票通过了某次Znode变化的请求后，然后通知对应的Follower，Follower根据自己内存中的zkDataBase信息，发送notification信息给zookeeper客户端。
4，Zookeeper客户端接收到notification信息后，找到对应变化path的watcher列表，挨个进行触发回调。

流程图

import java.util.List;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.Watcher.Event.EventType;
import org.apache.zookeeper.Watcher.Event.KeeperState;
import org.apache.zookeeper.ZooDefs.Ids;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;

/**
 * Zookeeper Wathcher 
 * 本类就是一个Watcher类（实现了org.apache.zookeeper.Watcher类）
 * @author（alienware）
 * @since 2015-6-14
 */
public class ZooKeeperWatcher implements Watcher {

    /** 定义原子变量 */
    AtomicInteger seq = new AtomicInteger();
    /** 定义session失效时间 */
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 10000;
    /** zookeeper服务器地址 */
    private static final String CONNECTION_ADDR = "192.168.1.121:2181,192.168.1.122:2181,192.168.1.123:2181";
    /** zk父路径设置 */
    private static final String PARENT_PATH = "/p";
    /** zk子路径设置 */
    private static final String CHILDREN_PATH = "/p/c";
    /** 进入标识 */
    private static final String LOG_PREFIX_OF_MAIN = "【Main】";
    /** zk变量 */
    private ZooKeeper zk = null;
    /**用于等待zookeeper连接建立之后 通知阻塞程序继续向下执行 */
    private CountDownLatch connectedSemaphore = new CountDownLatch(1);

    /**
     * 创建ZK连接
     * @param connectAddr ZK服务器地址列表
     * @param sessionTimeout Session超时时间
     */
    public void createConnection(String connectAddr, int sessionTimeout) {
        this.releaseConnection();
        try {
            //this表示把当前对象进行传递到其中去（也就是在主函数里实例化的new ZooKeeperWatcher()实例对象）
            zk = new ZooKeeper(connectAddr, sessionTimeout, this);
            System.out.println(LOG_PREFIX_OF_MAIN + "开始连接ZK服务器");
            connectedSemaphore.await();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 关闭ZK连接
     */
    public void releaseConnection() {
        if (this.zk != null) {
            try {
                this.zk.close();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 创建节点
     * @param path 节点路径
     * @param data 数据内容
     * @return 
     */
    public boolean createPath(String path, String data, boolean needWatch) {
        try {
            //设置监控(由于zookeeper的监控都是一次性的所以 每次必须设置监控)
            this.zk.exists(path, needWatch);
            System.out.println(LOG_PREFIX_OF_MAIN + "节点创建成功, Path: " + 
                               this.zk.create(    /**路径*/ 
                                                   path, 
                                                   /**数据*/
                                                   data.getBytes(), 
                                                   /**所有可见*/
                                                   Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, 
                                                   /**永久存储*/
                                                   CreateMode.PERSISTENT ) +     
                               ", content: " + data);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
        return true;
    }

    /**
     * 读取指定节点数据内容
     * @param path 节点路径
     * @return
     */
    public String readData(String path, boolean needWatch) {
        try {
            System.out.println("读取数据操作...");
            return new String(this.zk.getData(path, needWatch, null));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return "";
        }
    }

    /**
     * 更新指定节点数据内容
     * @param path 节点路径
     * @param data 数据内容
     * @return
     */
    public boolean writeData(String path, String data) {
        try {
            System.out.println(LOG_PREFIX_OF_MAIN + "更新数据成功，path：" + path + ", stat: " +
                                this.zk.setData(path, data.getBytes(), -1));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
        return true;
    }

    /**
     * 删除指定节点
     * 
     * @param path
     *            节点path
     */
    public void deleteNode(String path) {
        try {
            this.zk.delete(path, -1);
            System.out.println(LOG_PREFIX_OF_MAIN + "删除节点成功，path：" + path);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 判断指定节点是否存在
     * @param path 节点路径
     */
    public Stat exists(String path, boolean needWatch) {
        try {
            return this.zk.exists(path, needWatch);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    /**
     * 获取子节点
     * @param path 节点路径
     */
    private List<String> getChildren(String path, boolean needWatch) {
        try {
            System.out.println("读取子节点操作...");
            return this.zk.getChildren(path, needWatch);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    /**
     * 删除所有节点
     */
    public void deleteAllTestPath(boolean needWatch) {
        if(this.exists(CHILDREN_PATH, needWatch) != null){
            this.deleteNode(CHILDREN_PATH);
        }
        if(this.exists(PARENT_PATH, needWatch) != null){
            this.deleteNode(PARENT_PATH);
        }        
    }
    
    /**
     * 收到来自Server的Watcher通知后的处理。
     */
    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        
        System.out.println("进入 process 。。。。。event = " + event);
        
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        if (event == null) {
            return;
        }
        
        // 连接状态
        KeeperState keeperState = event.getState();
        // 事件类型
        EventType eventType = event.getType();
        // 受影响的path
        String path = event.getPath();
        //原子对象seq 记录进入process的次数
        String logPrefix = "【Watcher-" + this.seq.incrementAndGet() + "】";

        System.out.println(logPrefix + "收到Watcher通知");
        System.out.println(logPrefix + "连接状态:	" + keeperState.toString());
        System.out.println(logPrefix + "事件类型:	" + eventType.toString());

        if (KeeperState.SyncConnected == keeperState) {
            // 成功连接上ZK服务器
            if (EventType.None == eventType) {
                System.out.println(logPrefix + "成功连接上ZK服务器");
                connectedSemaphore.countDown();
            } 
            //创建节点
            else if (EventType.NodeCreated == eventType) {
                System.out.println(logPrefix + "节点创建");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } 
            //更新节点
            else if (EventType.NodeDataChanged == eventType) {
                System.out.println(logPrefix + "节点数据更新");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } 
            //更新子节点
            else if (EventType.NodeChildrenChanged == eventType) {
                System.out.println(logPrefix + "子节点变更");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } 
            //删除节点
            else if (EventType.NodeDeleted == eventType) {
                System.out.println(logPrefix + "节点 " + path + " 被删除");
            }
            else ;
        } 
        else if (KeeperState.Disconnected == keeperState) {
            System.out.println(logPrefix + "与ZK服务器断开连接");
        } 
        else if (KeeperState.AuthFailed == keeperState) {
            System.out.println(logPrefix + "权限检查失败");
        } 
        else if (KeeperState.Expired == keeperState) {
            System.out.println(logPrefix + "会话失效");
        }
        else ;

        System.out.println("--------------------------------------------");

    }

    /**
     * <B>方法名称：</B>测试zookeeper监控<BR>
     * <B>概要说明：</B>主要测试watch功能<BR>
     * @param args
     * @throws Exception
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //建立watcher //当前客户端可以称为一个watcher 观察者角色
        ZooKeeperWatcher zkWatch = new ZooKeeperWatcher();
        //创建连接 
        zkWatch.createConnection(CONNECTION_ADDR, SESSION_TIMEOUT);
        //System.out.println(zkWatch.zk.toString());
        
        Thread.sleep(1000);
        
        // 清理节点
        zkWatch.deleteAllTestPath(false);
        
        //-----------------第一步: 创建父节点 /p ------------------------//
        if (zkWatch.createPath(PARENT_PATH, System.currentTimeMillis() + "", true)) {
            
            Thread.sleep(1000);
            
            //-----------------第二步: 读取节点 /p 和    读取/p节点下的子节点(getChildren)的区别 --------------//
            // 读取数据
            zkWatch.readData(PARENT_PATH, true);
        
            // 读取子节点(监控childNodeChange事件)
            zkWatch.getChildren(PARENT_PATH, true);

            // 更新数据
            zkWatch.writeData(PARENT_PATH, System.currentTimeMillis() + "");
            
            Thread.sleep(1000);
            // 创建子节点
            zkWatch.createPath(CHILDREN_PATH, System.currentTimeMillis() + "", true);
            
            
            //-----------------第三步: 建立子节点的触发 --------------//
//            zkWatch.createPath(CHILDREN_PATH + "/c1", System.currentTimeMillis() + "", true);
//            zkWatch.createPath(CHILDREN_PATH + "/c1/c2", System.currentTimeMillis() + "", true);
            
            //-----------------第四步: 更新子节点数据的触发 --------------//
            //在进行修改之前，我们需要watch一下这个节点：
            Thread.sleep(1000);
            zkWatch.readData(CHILDREN_PATH, true);
            zkWatch.writeData(CHILDREN_PATH, System.currentTimeMillis() + "");
            
        }
        
        Thread.sleep(10000);
        // 清理节点
        zkWatch.deleteAllTestPath(false);
        
        
        Thread.sleep(10000);
        zkWatch.releaseConnection();
        
    }

}