一、Zookeeper基本概念

        1、ZooKeeper 是什么？

              Zookeeper官网地址： http://zookeeper.apache.org/

              Zookeeper官网文档地址：http://zookeeper.apache.org/doc/trunk/index.html

             Zookeeper是Hadoop下的一个子项目，它是一个针对大型【分布式系统】的【可靠协调系统】；

            他提供的功能包括：

               配置维护、名字服务、分布式同步、组服务等；

            它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一个最常用的使用场景就是用于担任【服务生产者】和【服务消费者】的【注册中心】；

     服务生产者将自己提供的服务注册到Zookeeper中心

     服务消费者在进行服务调用的时候先到Zookeeper中查找服务，获取到服务生产者的详细信息之后，再去调用服务生产者的内容与数据，简单示意图如下：

            2、ZooKeeper设计目标：

                  1、Zookeeper允许分布式进程通过共享的层次结构命名空间进行相互协调，这与标准文件系统类似。

                  2、名称空间由Zookeeper中的数据寄存器组成——称为znode，这些类似于文件和目录。

                  3、与为存储设计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】。

                 Zookeeper层次结构命名空间示意图如下：

                     通过这种【树图结构】的数据模型，很容易查找到具体的某一个服务。

              3、ZooKeeper主要特点      

                   1)、最终一致性：为客户端展示同一视图，这是 ZooKeeper 最重要的性能。

                    2)、可靠性：如果消息被一台服务器接受，那么它将被所有的服务器接受。

                    3)、实时性：ZooKeeper 不能保证两个客户端同时得到刚更新的数据，如果

                  需要最新数据，应该在读数据之前调用sync()接口。

                   4)、等待无关（wait-free）：慢的或者失效的 client 不干预快速的client的请求。

                   5)、原子性：更新只能成功或者失败，没有中间其它状态。

                   6)、顺序性：对于所有Server，同一消息发布顺序一致。

二、ZooKeeper 基本原理

    1、ZooKeeper 系统架构

           首先看一下 ZooKeeper 的架构图。

ZooKeeper 的架构图中我们需要了解和掌握的主要有：

  （1）Zookeeper分为【服务器端(Server)】和【客户端(Client)】，客户端可以连接到整个Zookeeper服务的任意服务器上（除非leader Servers参数被显式设置，leader不允许接收客户端连接）。

  （2）客户端使用并维护一个【TCP连接】，通过这个连接发送请求、接受响应、获取观察的事件以及发送心跳。

            如果这个TCP连接中断，客户端将自动尝试连接到另外的Zookeeper服务器。

           客户端第一次连接到 ZooKeeper服务时，接受这个连接的 ZooKeeper服务器会为这个客户端建立一个会话。

           当这个客户端连接到另外的服务器时，这个会话会被新的服务器重新建立。

  （3）上图中每一个Server代表一个安装Zookeeper服务的机器，即是整个提供Zookeeper服务的集群（或者是由伪集群组                         成）；

  （4）组成ZooKeeper服务的服务器必须彼此了解。 它们维护一个内存中的状态图像，以及持久存储中的事务日志和快照， 只              要大多数服务器可用，ZooKeeper服务就可用；

  （5）ZooKeeper 启动时，将从实例中选举一个 leader，Leader 负责处理数据更新等操作，一个更新操作成功的标志是当且仅               当大多数Server在内存中成功修改数据。每个Server 在内存中存储了一份数据。

  （6）Zookeeper是可以集群复制的，集群间通过Zab协议（Zookeeper Atomic Broadcast）来保持数据的一致性；

  （7）Zab协议包含两个阶段：leader election阶段和Atomic Brodcast阶段。

• a) 集群中将选举出一个leader，其他的机器则称为follower，所有的写操作都被传送给leader，并通过brodcast将所有的更新告诉给follower。

• b) 当leader崩溃或者leader失去大多数的follower时，需要重新选举出一个新的leader，让所有的服务器都恢复到一个正确的状态。

• c) 当leader被选举出来，且大多数服务器完成了 和leader的状态同步后，leadder election 的过程就结束了，就将会进入到Atomic brodcast的过程。

• d) Atomic Brodcast同步leader和follower之间的信息，保证leader和follower具有形同的系统状态。

2、Zookeeper 角色

   启动 Zookeeper 服务器集群环境后，多个 Zookeeper 服务器在工作前会选举出一个 Leader。选举出 leader 前，所有 server 不区分角色，都需要平等参与投票（ obServer 除外，不参与投票）；

选主过程完成后，存在以下几种角色：

思考：

1、为什么需要server?

①ZooKeeper 需保证高可用和强一致性; 
②为了支持更多的客户端，需要增加更多的Server; 
③Follower增多会导致投票阶段延迟增大，影响性能。

２、在Zookeeper 中ObServer 起到什么作用？

①ObServer 不参与投票过程，只同步 leader的状态 ;

②Observers 接受客户端的连接，并将写请求转发给 leader节点 ; 

③加入更多ObServer 节点，提高伸缩性，同时还不影响吞吐率。

３、为什么在Zookeeper中Server 数目一般为奇数？

我们知道在Zookeeper中 Leader 选举算法采用了Zab协议。Zab核心思想是当多数 Server 写成功，则任务数据写成功。 

①如果有3个Server，则最多允许1个Server 挂掉。 

②如果有4个Server，则同样最多允许1个Server挂掉。 既然3个或者4个Server，同样最多允许1个Server挂掉，那么它们的可靠性是一样的，所以选择奇数个ZooKeeper Server即可，这里选择3个Server。

3、ZooKeeper 写数据流程

ZooKeeper 写数据的流程图如下所示。

ZooKeeper 的写数据流程主要分为以下几步：

• a)、比如 Client 向 ZooKeeper 的 Server1 上写数据，发送一个写请求。

• b)、如果Server1不是Leader，那么Server1 会把接受到的请求进一步转发给Leader，因为每个ZooKeeper的Server里面有一个是Leader。这个Leader 会将写请求广播给各个Server，比如Server1和Server2， 各个Server写成功后就会通知Leader。

• c)、当Leader收到大多数 Server 数据写成功了，那么就说明数据写成功了。如果这里三个节点的话，只要有两个节点数据写成功了，那么就认为数据写成功了。写成功之后，Leader会告诉Server1数据写成功了。

• d)、Server1会进一步通知 Client 数据写成功了，这时就认为整个写操作成功。

4、ZooKeeper 组件

ZooKeeper组件显示了ZooKeeper服务的高级组件。 除了请求处理器，组成ZooKeeper服务的每个服务器复制其自己的每个组件的副本。

Replicated Database是包含整个数据树的内存数据库。 更新操作会记录到磁盘里以进行可恢复性，并且写操作将在放到内存数据库之前序列化到磁盘。

每个ZooKeeper服务器服务客户端。 客户端连接到一个服务器以提交irequest。 读取请求从每个服务器数据库的本地副本服务。 更改服务状态（写入请求）的请求由协议进行处理。

作为协议协议的一部分，来自客户端的所有写请求被转发到单个服务器，称为leader。 其余的ZooKeeper服务器（称为followers）从领导者接收消息提议并同意消息传递。 消息层负责在失败时替换领导者，并与leader同步followers。

三、ZooKeeper 应用场景总结

1、统一命名服务

统一命名服务的命名结构图如下所示：

1、在分布式环境下，经常需要对应用/服务进行统一命名，便于识别不同服务。

        a）类似于域名与ip之间对应关系，ip不容易记住，而域名容易记住。 

        b）通过名称来获取资源或服务的地址，提供者等信息。 

2、按照【层次结构】组织服务/应用名称。 
　   a）可将服务名称以及地址信息写到ZooKeeper上，客户端通过ZooKeeper获取可用服务列表类。

2、配置管理

配置管理结构图如下所示：

1、分布式环境下，配置文件管理和同步是一个常见问题。 
　 a）一个集群中，所有节点的配置信息是一致的，比如 Hadoop 集群。 
　 b）对配置文件修改后，希望能够快速同步到各个节点上。 
　　 
2、配置管理可交由ZooKeeper实现。 
　 a）可将配置信息写入ZooKeeper上的一个Znode。 
　 b）各个节点监听这个Znode。 
　 c）一旦Znode中的数据被修改，ZooKeeper将通知各个节点。

3、集群管理

集群管理结构图如下所示：

1、分布式环境中，实时掌握每个节点的状态是必要的。 
　　a）可根据节点实时状态做出一些调整。 
　　 
2、可交由ZooKeeper实现。 
　　a）可将节点信息写入ZooKeeper上的一个Znode。 
　　b）监听这个Znode可获取它的实时状态变化。 
　　 
3、典型应用 
　　a）HBase中Master状态监控与选举。

4、分布式通知与协调

1、分布式环境中，经常存在一个服务需要知道它所管理的子服务的状态。 
　　a）NameNode需知道各个Datanode的状态。 
　　b）JobTracker需知道各个TaskTracker的状态。 
　　 
2、心跳检测机制可通过ZooKeeper来实现。

3、信息推送可由ZooKeeper来实现，ZooKeeper相当于一个发布/订阅系统。

5、分布式锁

处于不同节点上不同的服务，它们可能需要顺序的访问一些资源，这里需要一把分布式的锁。

分布式锁具有以下特性：

1、ZooKeeper是强一致的。比如各个节点上运行一个ZooKeeper客户端，它们同时创建相同的Znode，但是只有一个客户端创建成功。

2、实现锁的独占性。创建Znode成功的那个客户端才能得到锁，其它客户端只能等待。当前客户端用完这个锁后，会删除这个Znode，其它客户端再尝试创建Znode，获取分布式锁。

3、控制锁的时序。各个客户端在某个Znode下创建临时Znode，这个类型必须为CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL，这样该Znode可掌握全局访问时序。

6、分布式队列

分布式队列分为两种：

1、当一个队列的成员都聚齐时，这个队列才可用，否则一直等待所有成员到达，这种是同步队列。 
　　a）一个job由多个task组成，只有所有任务完成后，job才运行完成。 
　　b）可为job创建一个/job目录，然后在该目录下，为每个完成的task创建一个临时的Znode，一旦临时节点数目达到task总数，则表明job运行完成。 
　　 
2、队列按照FIFO方式进行入队和出队操作，例如实现生产者和消费者模型。

最后

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