zooKeeper是一個分布式的,開放源碼的分布式應用程序協調服務,它包含一個簡單的原語集,分布式應用程序可以基于它實現同步服務,配置維護和命名服務等。Zookeeper是hadoop的一個子項目,其發展歷程無需贅述。在分布式應用中,由于工程師不能很好地使用鎖機制,以及基于消息的協調機制不適合在某些應用中使用,因此需要有一種可靠的、可擴展的、分布式的、可配置的協調機制來統一系統的狀態。Zookeeper的目的就在于此。本文簡單分析zookeeper的工作原理,對于如何使用zookeeper不是本文討論的重點。
1 Zookeeper的基本概念
1.1 角色
Zookeeper中的角色主要有以下三類,如下表所示:
系統模型如圖所示:
1.2 設計目的
1.最終一致性:client不論連接到哪個Server,展示給它都是同一個視圖,這是zookeeper最重要的性能。
2 .可靠性:具有簡單、健壯、良好的性能,如果消息m被到一臺服務器接受,那么它將被所有的服務器接受。
3 .實時性:Zookeeper保證客戶端將在一個時間間隔范圍內獲得服務器的更新信息,或者服務器失效的信息。但由于網絡延時等原因,Zookeeper不能保證兩個客戶端能同時得到剛更新的數據,如果需要最新數據,應該在讀數據之前調用sync()接口。
4 .等待無關(wait-free):慢的或者失效的client不得干預快速的client的請求,使得每個client都能有效的等待。
5.原子性:更新只能成功或者失敗,沒有中間狀態。
6 .順序性:包括全局有序和偏序兩種:全局有序是指如果在一臺服務器上消息a在消息b前發布,則在所有Server上消息a都將在消息b前被發布;偏序是指如果一個消息b在消息a后被同一個發送者發布,a必將排在b前面。
2 ZooKeeper的工作原理
Zookeeper的核心是原子廣播,這個機制保證了各個Server之間的同步。實現這個機制的協議叫做Zab協議。Zab協議有兩種模式,它們分別是恢復模式(選主)和廣播模式(同步)。當服務啟動或者在領導者崩潰后,Zab就進入了恢復模式,當領導者被選舉出來,且大多數Server完成了和leader的狀態同步以后,恢復模式就結束了。狀態同步保證了leader和Server具有相同的系統狀態。
為了保證事務的順序一致性,zookeeper采用了遞增的事務id號(zxid)來標識事務。所有的提議(proposal)都在被提出的時候加上了zxid。實現中zxid是一個64位的數字,它高32位是epoch用來標識leader關系是否改變,每次一個leader被選出來,它都會有一個新的epoch,標識當前屬于那個leader的統治時期。低32位用于遞增計數。
每個Server在工作過程中有三種狀態:
LOOKING:當前Server不知道leader是誰,正在搜尋
LEADING:當前Server即為選舉出來的leader
FOLLOWING:leader已經選舉出來,當前Server與之同步
2.1 選主流程
當leader崩潰或者leader失去大多數的follower,這時候zk進入恢復模式,恢復模式需要重新選舉出一個新的leader,讓所有的Server都恢復到一個正確的狀態。Zk的選舉算法有兩種:一種是基于basic paxos實現的,另外一種是基于fast paxos算法實現的。系統默認的選舉算法為fast paxos。先介紹basic paxos流程:
?1 .選舉線程由當前Server發起選舉的線程擔任,其主要功能是對投票結果進行統計,并選出推薦的Server;
?2 .選舉線程首先向所有Server發起一次詢問(包括自己);
?3 .選舉線程收到回復后,驗證是否是自己發起的詢問(驗證zxid是否一致),然后獲取對方的id(myid),并存儲到當前詢問對象列表中,最后獲取對方提議的leader相關信息(id,zxid),并將這些信息存儲到當次選舉的投票記錄表中;
?4. 收到所有Server回復以后,就計算出zxid最大的那個Server,并將這個Server相關信息設置成下一次要投票的Server;
?5. 線程將當前zxid最大的Server設置為當前Server要推薦的Leader,如果此時獲勝的Server獲得n/2 + 1的Server票數, 設置當前推薦的leader為獲勝的Server,將根據獲勝的Server相關信息設置自己的狀態,否則,繼續這個過程,直到leader被選舉出來。
通過流程分析我們可以得出:要使Leader獲得多數Server的支持,則Server總數必須是奇數2n+1,且存活的Server的數目不得少于n+1.
每個Server啟動后都會重復以上流程。在恢復模式下,如果是剛從崩潰狀態恢復的或者剛啟動的server還會從磁盤快照中恢復數據和會話信息,zk會記錄事務日志并定期進行快照,方便在恢復時進行狀態恢復。選主的具體流程圖如下所示:
fast paxos流程是在選舉過程中,某Server首先向所有Server提議自己要成為leader,當其它Server收到提議以后,解決epoch和zxid的沖突,并接受對方的提議,然后向對方發送接受提議完成的消息,重復這個流程,最后一定能選舉出Leader。其流程圖如下所示:
2.2 同步流程
選完leader以后,zk就進入狀態同步過程。
?1. leader等待server連接;
?2 .Follower連接leader,將最大的zxid發送給leader;
?3 .Leader根據follower的zxid確定同步點;
?4 .完成同步后通知follower 已經成為uptodate狀態;
?5 .Follower收到uptodate消息后,又可以重新接受client的請求進行服務了。
流程圖如下所示:
2.3 工作流程
2.3.1 Leader工作流程
Leader主要有三個功能:
?1 .恢復數據;
?2 .維持與Learner的心跳,接收Learner請求并判斷Learner的請求消息類型;
?3 .Learner的消息類型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息,根據不同的消息類型,進行不同的處理。
PING消息是指Learner的心跳信息;REQUEST消息是Follower發送的提議信息,包括寫請求及同步請求;ACK消息是Follower的對提議的回復,超過半數的Follower通過,則commit該提議;REVALIDATE消息是用來延長SESSION有效時間。
Leader的工作流程簡圖如下所示,在實際實現中,流程要比下圖復雜得多,啟動了三個線程來實現功能。
2.3.2 Follower工作流程
Follower主要有四個功能:
?1. 向Leader發送請求(PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息);
?2 .接收Leader消息并進行處理;
?3 .接收Client的請求,如果為寫請求,發送給Leader進行投票;
?4 .返回Client結果。
Follower的消息循環處理如下幾種來自Leader的消息:
?1 .PING消息: 心跳消息;
?2 .PROPOSAL消息:Leader發起的提案,要求Follower投票;
?3 .COMMIT消息:服務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:根據Leader的REVALIDATE結果,關閉待revalidate的session還是允許其接受消息;
?6 .SYNC消息:返回SYNC結果到客戶端,這個消息最初由客戶端發起,用來強制得到最新的更新。
Follower的工作流程簡圖如下所示,在實際實現中,Follower是通過5個線程來實現功能的。
對于observer的流程不再敘述,observer流程和Follower的唯一不同的地方就是observer不會參加leader發起的投票。
更多文章、技術交流、商務合作、聯系博主
微信掃碼或搜索:z360901061

微信掃一掃加我為好友
QQ號聯系: 360901061
您的支持是博主寫作最大的動力,如果您喜歡我的文章,感覺我的文章對您有幫助,請用微信掃描下面二維碼支持博主2元、5元、10元、20元等您想捐的金額吧,狠狠點擊下面給點支持吧,站長非常感激您!手機微信長按不能支付解決辦法:請將微信支付二維碼保存到相冊,切換到微信,然后點擊微信右上角掃一掃功能,選擇支付二維碼完成支付。
【本文對您有幫助就好】元
