引言

ZooKeeper 是一个 分布式 的，开放源码的分布式应用程序协调服务，是Google的Chubby一个开源的实现，是Hadoop和Hbase的重要组件。它是一个为分布式应用提供一致性服务的软件，提供的功能包括：配置维护、域名服务、分布式同步、组服务等。 zookeeper 的目标就是封装好复杂易出错的关键服务，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。ZooKeeper包含一个简单的原语集， 提供 Java 和C的接口。ZooKeeper代码版本中，提供了分布式独享锁、选举、队列的接口，代码在zookeeper-3.4.3\src\recipes。其中分布锁和队列有Java和C两个版本，选举只有Java版本。

zookeeper应用场景

利用zookeeper的特性，可以比较方便的构建分布式应用会涉及的核心功能，比如：

配置中心、命名服务、分布式协调/通知、集群的管理、master选举、分布式锁等

以下应用基本基于zookeeper的两大特性实现

1、客户端如果对zookeeper的一个数据节点注册watcher监听，那么当该数据节点的内容或其子节点的列表发生变更是，zookeeper服务器就会想订阅的客户端发送变更通知

2、对在zookeeper上创建的临时节点（sequent类型），一旦客户端与服务器之间的回话失效，那么临时节点会被自动清除

–配置中心：

zookeeper利用推拉结合的方式，客户端向服务端注册自己需要关注的节点，一旦该数据发生变更，那么服务器就会向相应的客户端发送watcher时间通知，客户收到这个消息通知之后，再主动到服务端获取最新的数据。即回调的event中包含具体的数据。这个应用的的业务员特点：

1.数据不经常变化

2.数据量通常比较小，保存的内存里，访问很快

3.配置动态变化，不需要重启机器，数据变化，会通知相应的客户端

4.集群共享配置，一致

比如数据库连接的配置，业务的开关，甚至一些数据量小，不经常变的业务数据如弹窗 文案 ，活动文案也放里边，用于快速迭代实现功能。

–命名服务

利用zookeeper的顺序节点，树形结构的数据特点。实现命名服务

1、比如 RPC 框架中，每个服务在zookeeper中对应一个节点（serviceName），节点下存放这个服务所用到的资源，比如部署的ip列表，接口列表。

这样RPC的客户端只需要传对应的服务名字，和接口，就能找到对应的服务。

2、全局唯一id的生成，UUID（通用的唯一标识码）可以实现，但是他的缺点是：

太长，包含32位字符和4个短线字符串

看不出业务含义，不方便排查问题

使用zookeeper实现：

不同的业务下创建一个节点，具体的节点下用 zk 的顺序节点(sequent)生成id当做这个业务的全局唯一id使用

ZooKeeper的工作原理

Zookeeper的核心是原子广播，这个机制保证了各个Server之间的同步。实现这个机制的协议叫做Zab协议。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者在领导者崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，且大多数Server完成了和leader的状态同步以后，恢复模式就结束了。状态同步保证了leader和Server具有相同的系统状态。

为了保证事务的顺序一致性，zookeeper采用了递增的事务id号（zxid）来标识事务。所有的提议（proposal）都在被提出的时候加上了zxid。实现中zxid是一个64位的数字，它高32位是epoch用来标识leader关系是否改变，每次一个leader被选出来，它都会有一个新的epoch，标识当前属于那个leader的统治时期。低32位用于递增计数。

每个Server在工作过程中有三种状态：

LOOKING：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻

LEADING：当前Server即为选举出来的leader

FOLLOWING：leader已经选举出来，当前Server与之同步

2.1 选主流程

当leader崩溃或者leader失去大多数的follower，这时候zk进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的leader，让所有的Server都恢复到一个正确的状态。Zk的选举 算法 有两种：一种是基于basic paxos实现的，另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。先介绍basic paxos流程：

1 .选举 线程 由当前Server发起选举的线程担任，其主要功能是对投票结果进行统计，并选出推荐的Server；

2 .选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；

3 .选举线程收到回复后，验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致)，然后获取对方的id(myid)，并存储到当前询问对象列表中，最后获取对方提议的leader相关信息(id,zxid)，并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中；

4. 收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的那个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server；

5. 线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader，如果此时获胜的Server获得n/2 + 1的Server票数， 设置当前推荐的leader为获胜的Server，将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态，否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。

通过流程分析我们可以得出：要使Leader获得多数Server的支持，则Server总数必须是奇数2n+1，且存活的Server的数目不得少于n+1.

每个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，如果是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息，zk会记录事务日志并定期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复。选主的具体流程图如下所示：

fast paxos流程是在选举过程中，某Server首先向所有Server提议自己要成为leader，当其它Server收到提议以后，解决epoch和zxid的冲突，并接受对方的提议，然后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后一定能选举出Leader。其流程图如下所示：

2.2 同步流程

选完leader以后，zk就进入状态同步过程。

1. leader等待server连接；

2 .Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；

3 .Leader根据follower的zxid确定同步点；

4 .完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；

5 .Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。

流程图如下所示：

2.3 工作流程

2.3.1 Leader工作流程

Leader主要有三个功能：

1 .恢复数据；

2 .维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；

3 .Learner的消息类型主要有 PING 消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根据不同的消息类型，进行不同的处理。

PING消息是指Learner的心跳信息；REQUEST消息是Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求；ACK消息是Follower的对提议的回复，超过半数的Follower通过，则commit该提议；REVALIDATE消息是用来延长SESSION有效时间。

Leader的工作流程简图如下所示，在实际实现中，流程要比下图复杂得多，启动了三个线程来实现功能。

2.3.2 Follower工作流程

Follower主要有四个功能：

1. 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；

2 .接收Leader消息并进行处理；

3 .接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；

4 .返回Client结果。

Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：

1 .PING消息： 心跳消息；

2 .PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；

3 .COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；

4 .UPTODATE消息：表明同步完成；

5 .REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；

6 .SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。

Follower的工作流程简图如下所示，在实际实现中，Follower是通过5个线程来实现功能的。

对于 observer 的流程不再叙述，observer流程和Follower的唯一不同的地方就是observer不会参加leader发起的投票。 引言

ZooKeeper是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务，是Google的Chubby一个开源的实现，是Hadoop和Hbase的重要组件。它是一个为分布式应用提供一致性服务的软件，提供的功能包括：配置维护、域名服务、分布式同步、组服务等。ZooKeeper的目标就是封装好复杂易出错的关键服务，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。ZooKeeper包含一个简单的原语集， 提供Java和C的接口。ZooKeeper代码版本中，提供了分布式独享锁、选举、队列的接口，代码在zookeeper-3.4.3\src\recipes。其中分布锁和队列有Java和C两个版本，选举只有Java版本。

zookeeper应用场景

利用zookeeper的特性，可以比较方便的构建分布式应用会涉及的核心功能，比如：

配置中心、命名服务、分布式协调/通知、集群的管理、master选举、分布式锁等

以下应用基本基于zookeeper的两大特性实现

1、客户端如果对zookeeper的一个数据节点注册watcher监听，那么当该数据节点的内容或其子节点的列表发生变更是，zookeeper服务器就会想订阅的客户端发送变更通知

2、对在zookeeper上创建的临时节点（sequent类型），一旦客户端与服务器之间的回话失效，那么临时节点会被自动清除

–配置中心：

zookeeper利用推拉结合的方式，客户端向服务端注册自己需要关注的节点，一旦该数据发生变更，那么服务器就会向相应的客户端发送watcher时间通知，客户收到这个消息通知之后，再主动到服务端获取最新的数据。即回调的event中包含具体的数据。这个应用的的业务员特点：

1.数据不经常变化

2.数据量通常比较小，保存的内存里，访问很快

3.配置动态变化，不需要重启机器，数据变化，会通知相应的客户端

4.集群共享配置，一致

比如数据库连接的配置，业务的开关，甚至一些数据量小，不经常变的业务数据如弹窗文案，活动文案也放里边，用于快速迭代实现功能。

–命名服务

利用zookeeper的顺序节点，树形结构的数据特点。实现命名服务

1、比如RPC框架中，每个服务在zookeeper中对应一个节点（serviceName），节点下存放这个服务所用到的资源，比如部署的ip列表，接口列表。

这样RPC的客户端只需要传对应的服务名字，和接口，就能找到对应的服务。

2、全局唯一id的生成，UUID（通用的唯一标识码）可以实现，但是他的缺点是：

太长，包含32位字符和4个短线字符串

看不出业务含义，不方便排查问题

使用zookeeper实现：

不同的业务下创建一个节点，具体的节点下用zk的顺序节点(sequent)生成id当做这个业务的全局唯一id使用

ZooKeeper的工作原理

Zookeeper的核心是原子广播，这个机制保证了各个Server之间的同步。实现这个机制的协议叫做Zab协议。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者在领导者崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，且大多数Server完成了和leader的状态同步以后，恢复模式就结束了。状态同步保证了leader和Server具有相同的系统状态。

为了保证事务的顺序一致性，zookeeper采用了递增的事务id号（zxid）来标识事务。所有的提议（proposal）都在被提出的时候加上了zxid。实现中zxid是一个64位的数字，它高32位是epoch用来标识leader关系是否改变，每次一个leader被选出来，它都会有一个新的epoch，标识当前属于那个leader的统治时期。低32位用于递增计数。

每个Server在工作过程中有三种状态：

LOOKING：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻

LEADING：当前Server即为选举出来的leader

FOLLOWING：leader已经选举出来，当前Server与之同步

2.1 选主流程

当leader崩溃或者leader失去大多数的follower，这时候zk进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的leader，让所有的Server都恢复到一个正确的状态。Zk的选举算法有两种：一种是基于basic paxos实现的，另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。先介绍basic paxos流程：

1 .选举线程由当前Server发起选举的线程担任，其主要功能是对投票结果进行统计，并选出推荐的Server；

2 .选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；

3 .选举线程收到回复后，验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致)，然后获取对方的id(myid)，并存储到当前询问对象列表中，最后获取对方提议的leader相关信息(id,zxid)，并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中；

4. 收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的那个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server；

5. 线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader，如果此时获胜的Server获得n/2 + 1的Server票数， 设置当前推荐的leader为获胜的Server，将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态，否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。

通过流程分析我们可以得出：要使Leader获得多数Server的支持，则Server总数必须是奇数2n+1，且存活的Server的数目不得少于n+1.

每个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，如果是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息，zk会记录事务日志并定期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复。选主的具体流程图如下所示：

fast paxos流程是在选举过程中，某Server首先向所有Server提议自己要成为leader，当其它Server收到提议以后，解决epoch和zxid的冲突，并接受对方的提议，然后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后一定能选举出Leader。其流程图如下所示：

2.2 同步流程

选完leader以后，zk就进入状态同步过程。

1. leader等待server连接；

2 .Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；

3 .Leader根据follower的zxid确定同步点；

4 .完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；

5 .Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。

流程图如下所示：

2.3 工作流程

2.3.1 Leader工作流程

Leader主要有三个功能：

1 .恢复数据；

2 .维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；

3 .Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根据不同的消息类型，进行不同的处理。

PING消息是指Learner的心跳信息；REQUEST消息是Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求；ACK消息是Follower的对提议的回复，超过半数的Follower通过，则commit该提议；REVALIDATE消息是用来延长SESSION有效时间。

Leader的工作流程简图如下所示，在实际实现中，流程要比下图复杂得多，启动了三个线程来实现功能。

2.3.2 Follower工作流程

Follower主要有四个功能：

1. 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；

2 .接收Leader消息并进行处理；

3 .接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；

4 .返回Client结果。

Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：

1 .PING消息： 心跳消息；

2 .PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；

3 .COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；

4 .UPTODATE消息：表明同步完成；

5 .REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；

6 .SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。

Follower的工作流程简图如下所示，在实际实现中，Follower是通过5个线程来实现功能的。

对于observer的流程不再叙述，observer流程和Follower的唯一不同的地方就是observer不会参加leader发起的投票。

总结

以 上就是我对 Java开发分布式系统zookeeper应用场景之ZooKeeper工作原理剖析 问题及其优化总结，分享给大家，觉得收获的话可以点个关注收藏转发一波喔，谢谢大佬们支持！

最后，每一位读到这里的网友，感谢你们能耐心地看完。希望在成为一名更优秀的Java程序员的道路上，我们可以一起学习、一起进步！都能赢取白富美，走向架构师的人生巅峰!

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