ZooKeeper概念與應用
Zookeeper是開源的分散式協調服務，提供了分散式資料一致性的解決方案。
Zookeeper 可用作配置中心和分散式鎖服務，在 Dubbo、Kafka、Spark等分散式叢集上得到廣泛應用。
ZNode
Zookeeper的資料模型為樹狀結構，樹的節點被稱作ZNode。
Zookeeper使用路徑來唯一標識ZNode，類似於Unix檔案系統中的絕對路徑。路徑必須以 / 開頭，由Unicode字串組成，如 /myapp/master/0 。
每一個ZNode維護著三部分資料:
- stat: 節點狀態資訊，包括版本、更改時間、訪問控制等
- data: 節點的內容資料，Zookeeper限制每個節點資料不超過1M。Zookeeper設計用來進行協調排程，請勿在其中存放大量資料。
- children: 該ZNode的子節點。
每個節點都有獨立的訪問控制列表(Access Control List, ACL), 來控制使用者對本節點的訪問許可權。
每個ZNode都維護著三個版本號:
- dataVersion: 節點資料版本號
- cversion: 子節點版本號
- aclVersion: 節點訪問控制列表版本號
所有的寫操作都會使相應的版本號增加。寫操作必須指定要更新的ZNode的版本號，版本號不一致會導致寫入失敗。
Zxid
所有對Zookeeper狀態的改變都會產生一個Zxid(ZooKeeper Transaction Id），Zxid全域性有序。
Zxid為標識事件發生的先後順序: 即事件A發生早於事件B，那麼事件A的Zxid定小於事件B的Zxid。
每個ZNode維護兩個Zxid:
- cZxid: Znode建立
- mZxid: Znode最近修改
Zxid是一個64位的數字, 高32位表示Zookeeper叢集leader, 低32位表示邏輯順序。每次leader改變後, 新產生的Zxid高32位都會改變。
節點型別
Zookeeper中的節點分為兩種:
- 臨時節點: 臨時節點依賴於建立節點的會話(Session), 一旦Session結束臨時節點會被自動刪除。臨時節點不允許擁有子節點
- 永久節點: 永久節點生存期不依賴於客戶端會話，只有客戶端執行刪除操作時才會刪除。
Zookeeper 可以建立順序子節點，即建立子節點時在路徑結尾新增一個自增的32位 id, 該id在該節點的父節點下是唯一的。
Watch
Zookeeper 所有的讀操作getData(), getChildren()和 exists()都可以設定 Watch 觸發器。
Watch 觸發器是一次性的，當觸發器通知了一次狀態變化後消失，不會通知狀態的再次變化。
Zookeeper 與客戶端之間通過 Tcp Socket 進行通訊， Zookeeper 會主動將時間通知客戶端。
Zookeeper 保證客戶端只有首先收到了Watch通知後，才會感知到它所設定監視的znode發生了變化。
Zookeeper 支援三種類型的watch:
- exists: 被監視的Znode 建立、刪除、資料改變時被觸發
- getData: 被監視的Znode 刪除、資料改變時被觸發
- getChildren: 被監視的Znode 刪除、建立子節點、刪除子節點時被觸發
Zookeeper 應用
ZooKeeper 是具有較高一致性的分散式協調服務，它提供以下保證:
- 原子性: 所有操作具有原子性
- 分散式一致性： 從任意節點中讀取到的資料都是一致的
- 順序一致性: 從一個客戶端來的更新請求會被順序執行
- 永續性: 寫操作一旦成功，直到被覆蓋為止持續有效
Zookeeper 使用資料副本和崩潰恢復機制保證資料安全和叢集高可用性。
Zookeeper 使用基於 Paxos 演算法的 ZAB協議(Zookeeper Atomic Broadcast)進行寫操作，保證叢集資料的一致性。
配置中心
我們可以將系統中通用配置資訊寫入 ZNode 中，客戶端啟動時從 Zookeeper 獲取配置資料並監視配置節點的變化，當配置發生改變 Zookeeper 會通知所有的客戶端獲取最新資料，從而實現線上更新配置。
適合使用Zookeeper維護的配置通常:
- 資料量較小
- 在執行時動態發生變化
- 各客戶端讀取到資料需要相同
- 具有順序一致性，客戶端只要讀取到新版本的資料，此後就不能讀取到舊版本資料
當服務啟動時，服務提供者可以在Zookeeper的相應路徑下建立臨時節點，並在節點中寫入服務配置資訊。服務關閉(崩潰)時，臨時節點自動刪除。
客戶端啟動時從 ZooKeeper 讀取服務提供者資訊從而實現自動的服務釋出/移除功能。
分散式鎖
Zookeeper 的臨時節點可以維護客戶端持有鎖的狀態，加鎖失敗的客戶端可以使用 Watch 機制監視鎖的釋放情況，實現阻塞等待加鎖。
Zookeeper 的順序節點可以實現一個簡單的佇列，可以利用此特性實現公平鎖。客戶端在鎖節點下建立順序子節點，持有最小子節點的客戶端成功加鎖，加鎖失敗的客戶端 Watch 前一個順序子節點，從而實現先到先得的公平鎖機制。
命名服務
ZooKeeper 的順序節點可以生成全域性唯一ID, 我們可以利用該ID為服務命名。相對於UUID, 該名稱較短且可以保證絕不重複。
Master選舉
與分散式公平鎖應用類似，ZooKeeper 可以維護叢集 Master。
叢集中所有可以成為 Master 的程序都在 Zookeeper 中的指定路徑下建立順序子節點，持有最小子節點的程序成為Master。
叢集中所有程序都 Watch 指定路徑下節點的情況，一旦發生變化則重新讀取最小子節點的持有者作為Master。
腦裂問題
傳統叢集實現方案是執行一個備用Master節點，備用Master節點定期向主Master節點發送ping請求，若能及時收到主Master的ack響應則認為正常。
若Ack響應超時，備用Master則會取代原主Master成為新的叢集主Master節點。
若響應超時因為主Master故障導致，備用Master成為新的主節點完全正常。
若超時因為主備 Master 節點間 ping-ack 網路故障導致，那麼主Master工作正常，而備用Master卻誤認為主Master崩潰而進行取代，那麼叢集中可能出現多個Master共存的故障(即腦裂故障)。
若使用 Zookeeper 維護 Master 資訊，無論是因為主Master故障還是通訊問題導致最小子節點被刪除，備用Master持有的節點都會成為最小子節點。
此時，所有客戶端都會受到通知並得知 Master 變更，保證叢集中只有一個 Master。
當崩潰的Master恢復後，它將成為新的備用Master加入叢集。
ZooKeeper 無法避免通訊故障導致誤判 Master 狀態，但是可以保證在任何情況下叢集中只有一個 Master 節點。