ZooKeeper原理详解及常用操作

ZooKeeper是什么？

ZooKeeper是一个开源的分布式应用程序协调系统。简称ZK，ZK是一个典型的分布式数据一致性解决方案，分布式应用程序可以基于它实现数据的发布/订阅、负载均衡、名称服务、分布式协调/通知、集群管理、Master选举、分布式锁盒分布式队列等等功能。它运行在JAVA环境之中，并具有JAVA和C的绑定。

ZooKeeper的设计目标

ZooKeeper允许分布式进程通过共享的分层命名空间相互协调，该命名空间的组织方式与标准文件系统类似。名称空间由数据寄存器(在ZooKeeper中，被称为Znodes)组成，这些寄存器类似于文件和目录，与设计用于存储的典型文件系统不同，ZooKeeper数据保存在内存中，这意味着ZooKeeper可以实现高吞吐量和低延迟数。ZooKeeper实现非常重视高性能、高可用性、严格有序的访问，ZooKeeper的性能方面意味着它可以在大型分布式系统中使用，可靠性方面使其不会称为单点故障，严格的排序意味着可以在客户端实现复杂的同步原语。

ZooKeeper集群概念

集群角色

•Leader：领导者，通过集群选举产生的主节点，负责集群的读与写工作•Follower：追随者，有资格参与集群选举，但未能被成功选举为Leader的备用选举节点，负责集群的读服务•Observer：观察者，没有资格参与集群选举，负责集群的读服务，同步Leader状态

注意：当Leader故障之后ZooKeeper集群会通过Follower选举新的Leader，如果老的Leader故障修复之后，会再次接管集群中的Leader脚本，新的Leader则退回Follower角色。一般集群当中无需设置Observer节点，Follower节点即可。

图解集群

集群角色工作原理介绍：

上图中有5个ZooKeeper节点，其中一个节点为Leader，除leader节点外，其它都是追随者Follower，Client与ZK集群建立TCP长连接，只有追随者Follower节点来与Client建立连接(我们的Client与Follower建立的连接会始终存在，只有Client不再参与集群或者客户端出现故障之后才会断开连接，是一个持久会话，通过此会话，Client会不短向自己所连接的Follower更新自己的状态信息)，并处理Client的请求，如果Client为读请求，则会转发到Follower或者本机进行处理，如果为写请求则转发给Leader处理。如果Client与连接的一台ZK集群中的服务器发生数据变更，则ZK集群中的这台服务器会把变更内容同步到ZK集群中的所有ZK服务器。

假如上图中的Client为Kafka，一共有8台Kafka，Kafka的集群配置信息全部是由ZooKeeper来维护，如果没有ZooKeeper，Kafka的单节点就不知道它们是个集群或者集群中共有那些节点，有了ZooKeeper之后，Kakfa节点会向ZK集群发出请求来询问他们的Kafka一共有几个集群节点，哪个节点还在工作，哪个节点为故障节点等等的集群信息全部都是由ZooKeeper来维护，如果想知道这些信息，Kafka就会去ZK集群节点中去请求一个数据分支，所有有了前面我们介绍ZooKeeper是的一个开源的分布式应用程序协调系统。通过ZooKeeper提供的服务来与Kafka集群的其它节点互知。

数据模型

上面讲到Kafka会去ZK集群中请求一个数据分支，ZooKeeper的数据分支一个倒置树状的分支结构，可以说这个数据是放在ZooKeeper内存中的一个树状的文件系统来保存Kafka集群的数据，ZooKeeper提供的这个存储系统非常类似于标准的文件目录，名称是有斜杠"/"来分割的。Kafka集群的每个节点信息都是存放在内存中的该存储系统中，各节点信息由路径标示，例如下图中的/app1，就是我们的Kafka中的一个节点(此节点在ZooKeeper中被官方称为ZNode，即ZooKeeper数据模型中的数据单元，数据模型因为为树状所以被称为Znode Tree，)，/app1下的/p_1-3就是存储的这个Kafka节点的状态信息，例如该节点变更了哪些操作，存活状态等等。

ZNode维护一个stat结构，就是节点下面的/app1/p_1-3,维护该内容的数据数据更改，ACL更改盒时间戳的版本号，以允许缓存验证和协调更新。每次znode的数据更改时，版本号都会增加。例如，每当客户端检索数据时，它也接收数据的版本。

存储在每个ZNode的数据都是以原子方式读取和写入，读取获取与ZNode关联的所有数据字节，写入替换所有数据。每个节点都有一个访问控制列表（ACL），限制谁可以做什么。ZooKeeper也有短暂节点的概念。只要创建znode的会话处于活动状态，就会存在这些znode。会话结束时，znode将被删除。当您想要实现[tbd]时，短暂节点很有用。ZNode的数据节点分为两类

持久节点：一直存在，如果想要消失，仅显示删除才消失临时节点：会话终止即自动消失

上面我们讲到ZNode维护一个stat结构，维护该内容的数据数据更改，ACL更改盒时间戳的版本号，下面我们就讲下ACL和版本号 版本(version)：ZK会为每个ZNode维护一个称之为stat的数据结构，记录当前数据结构的三个数据版本

version：当前版本cversion:当前的znode子节点版本aversion：当前的znode的ACL版本

ACL：因为可能会有多个分布式系统使用一个ZooKeeper集群来维护集群的协调服务，那么不同分布式集群信息不能被其它机器所访问，就出现了ZooKeeper使用ACL机制进行权限控制。

CREATE：创建READ：读WRITE：写DELETE：删ADMIN：管理

ZAB协议

ZooKeeper(ZooKeeper Atomic Broadcast，ZooKeeper原子广播协议)是通过ZAB协议来完成了Client各个节点选举的信息，ZAB协议是整个ZooKeeper的核心，支持崩溃保护机制，用于在Leader崩溃时重新选举出新的Leader，而且还要确保数据的完整性和一至性，此协议不仅能够保证ZooKeeper集群本身的选举，还能管理使用ZooKeeper协调服务的分布式程序的选举工作。

ZAB协议中存在的三种状态：

（1）Looking：集群刚启动，开始选举Leader，或者Leader崩溃之后再次选举新的Leader时，正在选举，被称为Looking状态。

（2）Following：Following就是Follower状态，这个时候集群中已经存在Leader，这些机器属于Follover节点称之为Following状态。

（3）Leading：Leader就被称为Leading状态。

ZAB协议中的存在的四个阶段：

•选举：election•发现：discovery•同步：sync•广播：Broadcast

部署ZooKeeper

ZooKeeper下载：

wget https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/apache/zookeeper/zookeeper-3.4.14/zookeeper-3.4.14.tar.gz

解压并安装

tar xf zookeeper-3.4.14.tar.gz -C /application/
cp /application/zookeeper-3.4.14/conf/zoo_sample.cfg /application/zookeeper-3.4.14/conf/zoo.cfg

添加环境变量

cat << EOF >> /etc/profile
export ZOOKEEPER_HOME=/application/zookeeper-3.4.14
export PATH=$PATH:$ZOOKEEPER_HOME/binEOF
source /etc/profile

修改ZooKeeper配置

cat /application/zookeeper-3.4.14/conf/zoo.cfg

tickTime=2000
initLimit=10
syncLimit=5
dataDir=/application/zookeeper-3.4.14/data
dataLogDir=/application/zookeeper-3.4.14/logs
clientPort=2181
maxClientCnxns=60
autopurge.snapRetainCount=3
autopurge.purgeInterval=1
server.1=localhost:2888:3888

创建数据存储目录及日志目录

mkdir /application/zookeeper-3.4.14/{data,logs}

ZooKeeper配置详解

tickTime=2000
#ZooKeeper服务器之间或客户单与服务器之间维持心跳的时间间隔，单位是毫秒，默认为2000。
initLimit=10
#zookeeper接受客户端（这里所说的客户端不是用户连接zookeeper服务器的客户端,而是zookeeper服务器集群中连接到leader的follower 服务器）初始化连接时最长能忍受多少个心跳时间间隔数。
#当已经超过10个心跳的时间（也就是tickTime）长度后 zookeeper 服务器还没有收到客户端的返回信息,那么表明这个客户端连接失败。总的时间长度就是 10*2000=20秒。
syncLimit=5
#标识ZooKeeper的leader和follower之间同步消息，请求和应答时间长度，最长不超过多少个tickTime的时间长度，总的时间长度就是5*2000=10秒。
dataDir=/application/zookeeper-3.4.14/data
#存储内存数据库快照的位置；ZooKeeper保存Client的数据都是在内存中的，如果ZooKeeper节点故障或者服务停止，那么ZooKeeper就会将数据快照到该目录当中。
clientPort=2181
#ZooKeeper客户端连接ZooKeeper服务器的端口，监听端口
maxClientCnxns=60
#ZooKeeper可接受客户端连接的最大数量，默认为60
dataLogDir=/application/zookeeper-3.4.14/logs
#如果没提供的话使用的则是dataDir。zookeeper的持久化都存储在这两个目录里。dataLogDir里是放到的顺序日志(WAL)。而dataDir里放的是内存数据结构的snapshot，便于快速恢复。
为了达到性能最大化，一般建议把dataDir和dataLogDir分到不同的磁盘上，这样就可以充分利用磁盘顺序写的特性
autopurge.snapRetainCount=3
#ZooKeeper要保留dataDir中快照的数量
autopurge.purgeInterval=1
#ZooKeeper清楚任务间隔(以小时为单位)，设置为0表示禁用自动清除功能
server.1=localhost:2888:3888
#指定ZooKeeper集群主机地址及通信端口#1 为集群主机的数字标识，一般从1开始，三台ZooKeeper集群一般都为123#localhost 为集群主机的IP地址或者可解析主机名
#2888 端口用来集群成员的信息交换端口，用于ZooKeeper集群节点与leader进行信息同步#3888 端口是在leader挂掉时或者刚启动ZK集群时专门用来进行选举leader所用的端口

启动ZooKeeper

/application/zookeeper-3.4.14/bin/zkServer.sh start
ZooKeeper JMX enabled by default
Using 
config: /application/zookeeper-3.4.14/bin/../conf/zoo.cfg
Starting zookeeper ... STARTED
查看ZK状态
/application/zookeeper-3.4.14/bin/zkServer.sh status
ZooKeeper JMX enabled by defaultUsing 
config: /application/zookeeper-3.4.14/bin/../conf/zoo.cfg
Mode: standalone
ss -anplt | grep 2181LISTEN     0      50          :::2181                    :::*                   users:(("java",pid=17168,fd=27))

ZooKeeper执行程序简介

ls /application/zookeeper-3.4.14/bin/ -l
total 44
-rwxr-xr-x 1 2002 2002  232 Mar  7 00:50 README.txt
-rwxr-xr-x 1 2002 2002 1937 Mar  7 00:50 zkCleanup.sh  
-rwxr-xr-x 1 2002 2002 1056 Mar  7 00:50 zkCli.cmd
-rwxr-xr-x 1 2002 2002 1534 Mar  7 00:50 zkCli.sh           #ZK客户端连接ZK的脚本程序
-rwxr-xr-x 1 2002 2002 1759 Mar  7 00:50 zkEnv.cmd
-rwxr-xr-x 1 2002 2002 2919 Mar  7 00:50 zkEnv.sh           #ZK变量脚本程序
-rwxr-xr-x 1 2002 2002 1089 Mar  7 00:50 zkServer.cmd
-rwxr-xr-x 1 2002 2002 6773 Mar  7 00:50 zkServer.sh        #ZK启动脚本程序
-rwxr-xr-x 1 2002 2002  996 Mar  7 00:50 zkTxnLogToolkit.cmd
-rwxr-xr-x 1 2002 2002 1385 Mar  7 00:50 zkTxnLogToolkit.sh

zkServer.sh启动文件

zkServer.sh通常用来启动、终止、重启ZK服务器，用法如下：

/application/zookeeper-3.4.14/bin/zkServer.sh 
ZooKeeper JMX enabled by default
Using config: /application/zookeeper-3.4.14/bin/../conf/zoo.cfg
Usage: /application/zookeeper-3.4.14/bin/zkServer.sh {start|start-foreground|stop|restart|status|upgrade|print-cmd}
#关闭ZK服务/application/zookeeper-3.4.14/bin/zkServer.sh stop
#启动ZK服务/application/zookeeper-3.4.14/bin/zkServer.sh start
#启动ZK服务并打印启动信息到标准输出，方便于排错/application/zookeeper-3.4.14/bin/zkServer.sh start-foreground
#重启ZK服务/application/zookeeper-3.4.14/bin/zkServer.sh restart
#查看ZK服务状态/application/zookeeper-3.4.14/bin/zkServer.sh status

zkCli.sh客户端连接

zkCli.sh是用来连接zk服务的脚本程序文件，使用该脚本程序连接到ZK后，可管理ZK服务，用法如下：

create [-s] [-e] path data acl 选项介绍： -s用来指定节点特性为顺序节点；顺序节点：是创建时唯一且被独占的递增性整数作为其节点号码，此号码会被叠加在路径之后。 -e用来指定特性节点为临时节点,临时节点不允许有子目录；关于持久节点和临时节点请看上篇文章 若不指定，则表示持久节点 acl用来做权限控制

创建ZooKeeper持久节点

#创建持久节点permanent，关联字符串permanent[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] 
create /permanent "permanent"Created /permanent
#在持久节点permanent下创建子目录zk-node1和zk-nod2
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1]create /permanent/zk_node1  
"zk_node1"Created /permanent/zk_node1
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2]create /permanent/zk_node2 
"zk_node2"Created /permanent/zk_node2
#查看创建的zk数据文件
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 3] ls /[zookeeper, permanent]
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 4] ls /permanent[zk_node1, zk_node2]

创建ZooKeeper顺序节点

#创建顺序节点order，关联字符串order，创建好之后并不会以我们创建的order命名，zk会自动在后面加上一排递增数字来显示此文件夹，递增数据不会从重复
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 5] create -s /order "order"Created /order0000000004
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 6] ls /[zookeeper, permanent, order0000000004]
#我们再次创建一个顺序节点，会发现后面的增至数字默认加1，并没有重复
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 8] create -s /tow_order "two_order"Created /tow_order0000000005
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 9] ls /[tow_order0000000005, zookeeper, permanent, order0000000004]
#创建顺序节点order的子节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 10] create -s /order0000000004/order_node1 
"order_node1"Created /order0000000004/order_node10000000000

创建ZooKeeper临时节点

#创建临时节点temp
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 15] create -e /temp 
"temp"Created /temp
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 16] ls /             
#查看已经创建完成的临时节点
temp[tow_order0000000005, temp, zookeeper, permanent, order0000000004]
#在临时节点temp中创建子目录，
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 17] create -e /temp/two_temp 
"tow_temp"Ephemerals cannot have children: /temp/two_temp     
#你会发现创建子目录，ZK给你报错误说”临时节点不允许子目录存在。我们上面也说过了，临时节点不允许存在子目录
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 18] ls /temp         
#查看临时节点/temp下，并没有我们所创建的two_temp子目录[]
#测试临时节点#创建的临时节点如果当前客户端断开了连接后临时节点会自动消失，而持久节点和顺序节点则需要使用删除命令来消失
#退出当前ZK连接，再次连接到ZK
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 19] quit             
#退出当前ZK连接
/application/zookeeper-3.4.14/bin/zkCli.sh -server localhost:2181       
#再次连接到ZK
#查看临时目录是否存在
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] ls /
[tow_order0000000005, zookeeper, permanent, order0000000004]            
#当我们结束当前客户端连接后，ZK的临时节点temp也会随之消失