Zookeeper学习之Jute序列化以及通信协议详解

一、Jute序列化工具

　　1、Jute概述

　　Zookeeper的客户端与服务端之间会进行一系列的网络通信来实现数据传输，Zookeeper使用Jute组件来完成数据的序列化和反序列化操作，其用于Zookeeper进行网络数据传输和本地磁盘数据存储的序列化和反序列化工作。

　　实体类要使用Jute进行序列化和反序列化步骤：

• 1.需要实现Record接口的serialize和deserialize方法；
• 2.构建一个序列化器BinaryOutputArchive；
• 3.序列化:调用实体类的serialize方法，将对象序列化到指定的tag中去，比如这里将对象序列化到header中；
• 4.反序列化:调用实体类的deserialize方法，从指定的tag中反序列化出数据内容。

　　2、Record接口

　　Zookeeper中所需要进行网络传输或是本地磁盘存储的类型定义，都实现了该接口，是Jute序列化的核心。Record定义了两个基本的方法，分别是serialize和deserialize，分别用于序列化和反序列化。其中archive是底层真正的序列化器和反序列化器，并且每个archive中可以包含对多个对象的序列化和反序列化，因此两个接口中都标记了参数tag，用于序列化器和反序列化器标识对象自己的标记。

　　3、OutputArchive和InputArchive

　　OutputArchive和InputArchive分别是Jute底层的序列化器和反序列化器定义。有BinaryOutputArchive/BinaryInputArchive、CsvOutputArchive/CsvInputArchive和XmlOutputArchive/XmlInputArchive三种实现，无论哪种实现都是基于OutputStream和InputStream进行操作。

　　BinaryOutputArchive对数据对象的序列化和反序列化，主要用于进行网络传输和本地磁盘的存储，是Zookeeper底层最主要的序列化方式。CsvOutputArchive对数据的序列化，更多的是方便数据的可视化展示，因此被用在toString方法中。XmlOutputArchive则是为了将数据对象以xml格式保存和还原，但目前在Zookeeper中基本没使用到。

　　4、测试示例

　　首先我们构建一个实体类，实现Record接口的serialize和deserialize方法：

public class MockReHeader implements Record {
    private long sessionId;
    private String type;
    public MockReHeader() {}

    public MockReHeader(long sessionId, String type) {
        this.sessionId = sessionId;
        this.type = type;
    }

    public void setSessionId(long sessionId) {
        this.sessionId = sessionId;
    }

    public void setType(String type) {
        this.type = type;
    }

    public long getSessionId() {
        return sessionId;
    }

    public String getType() {
        return type;
    }

    public void serialize(OutputArchive outputArchive, String tag) throws java.io.IOException {
        outputArchive.startRecord(this, tag);
        outputArchive.writeLong(sessionId, "sessionId");
        outputArchive.writeString(type, "type");
        outputArchive.endRecord(this, tag);
    }

    public void deserialize(InputArchive inputArchive, String tag) throws java.io.IOException {
        inputArchive.startRecord(tag);
        this.sessionId = inputArchive.readLong("sessionId");
        this.type = inputArchive.readString("type");
        inputArchive.endRecord(tag);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "sessionId = " + sessionId + ", type = " + type;
    }
}

　　可以看到MockReHeader实体类需要实现Record接口并且实现serialize和deserialize方法。OutputArchive和InputArchive分别是Jute底层的序列化器和反序列化器。

　　接下来测试我们的实体类：

public class JuteTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
        BinaryOutputArchive binaryOutputArchive = BinaryOutputArchive.getArchive(byteArrayOutputStream);
        new MockReHeader(0x3421eccb92a34el, "ping").serialize(binaryOutputArchive, "header");
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(byteArrayOutputStream.toByteArray());

        ByteBufferInputStream byteBufferInputStream = new ByteBufferInputStream(byteBuffer);
        BinaryInputArchive binaryInputArchive = BinaryInputArchive.getArchive(byteBufferInputStream);

        MockReHeader mockReHeader = new MockReHeader();
        System.out.println(mockReHeader);
        mockReHeader.deserialize(binaryInputArchive, "header");
        System.out.println(mockReHeader);
        byteBufferInputStream.close();
        byteArrayOutputStream.close();
    }

}

　　输出如下：

sessionId = 0, type = null
sessionId = 14673999700337486, type = ping

　　5、zookeeper.jute

　　在Zookeeper的src文件夹下有zookeeper.jute文件，这个文件定义了所有的实体类的所属包名、类名及类的所有成员变量和类型，该文件会在源代码编译时，Jute会使用不同的代码生成器为这些类定义生成实际编程语言的类文件，如java语言生成的类文件保存在src/java/generated目录下，每个类都会实现Record接口。zookeeper.jute文件部分源码如下：

module org.apache.zookeeper.data {
    class Id {
        ustring scheme;
        ustring id;
    }
    class ACL {
        int perms;
        Id id;
    }
    // information shared with the client
    class Stat {
        long czxid;      // created zxid
        long mzxid;      // last modified zxid
        long ctime;      // created
        long mtime;      // last modified
        int version;     // version
        int cversion;    // child version
        int aversion;    // acl version
        long ephemeralOwner; // owner id if ephemeral, 0 otw
        int dataLength;  //length of the data in the node
        int numChildren; //number of children of this node
        long pzxid;      // last modified children
    }
    // information explicitly stored by the server persistently
    class StatPersisted {
        long czxid;      // created zxid
        long mzxid;      // last modified zxid
        long ctime;      // created
        long mtime;      // last modified
        int version;     // version
        int cversion;    // child version
        int aversion;    // acl version
        long ephemeralOwner; // owner id if ephemeral, 0 otw
        long pzxid;      // last modified children
    }
}

module org.apache.zookeeper.proto {
    class ConnectRequest {
        int protocolVersion;
        long lastZxidSeen;
        int timeOut;
        long sessionId;
        buffer passwd;
    }
    class ConnectResponse {
        int protocolVersion;
        int timeOut;
        long sessionId;
        buffer passwd;
    }
    class SetWatches {
        long relativeZxid;
        vector<ustring>dataWatches;
        vector<ustring>existWatches;
        vector<ustring>childWatches;
    }class GetDataRequest {
        ustring path;
        boolean watch;
    }

    class SetDataRequest {
        ustring path;
        buffer data;
        int version;
    }
    class ReconfigRequest {
        ustring joiningServers;
        ustring leavingServers;
        ustring newMembers;
        long curConfigId;
    }
}

module org.apache.zookeeper.server.quorum {
    class LearnerInfo {
        long serverid;
        int protocolVersion;
        long configVersion;
    }
    class QuorumPacket {
        int type; // Request, Ack, Commit, Ping
        long zxid;
        buffer data; // Only significant when type is request
        vector<org.apache.zookeeper.data.Id> authinfo;
    }
    class QuorumAuthPacket {
        long magic;
        int status;
        buffer token;
    }
}

module org.apache.zookeeper.server.persistence {
    class FileHeader {
        int magic;
        int version;
        long dbid;
    }
}

二、ZooKeeper通信协议

　　基于TCP/IP协议，Zookeeper实现了自己的通信协议来玩按成客户端与服务端、服务端与服务端之间的网络通信，对于请求，主要包含请求头和请求体，对于响应，主要包含响应头和响应体。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　1、请求协议

　　对于请求协议而言，如下为获取节点数据请求的完整协议定义：

　　　　　　　　　　　　　　

    class RequestHeader {
        int xid;
        int type;
    }

　　从zookeeper.jute中可知RequestHeader包含了xid和type，xid用于记录客户端请求发起的先后序号，用来确保单个客户端请求的响应顺序，type代表请求的操作类型，如创建节点（OpCode.create）、删除节点（OpCode.delete）、获取节点数据（OpCode.getData）。　

　　协议的请求主体内容部分，包含了请求的所有操作内容，不同的请求类型请求体不同。对于会话创建而言，其请求体如下：

    class ConnectRequest {
        int protocolVersion;
        long lastZxidSeen;
        int timeOut;
        long sessionId;
        buffer passwd;
    }

　　Zookeeper客户端和服务器在创建会话时，会发送ConnectRequest请求，该请求包含协议版本号protocolVersion、最近一次接收到服务器ZXID lastZxidSeen、会话超时时间timeOut、会话标识sessionId和会话密码passwd。

　　对于获取节点数据而言，其请求体如下：

    class GetDataRequest {
        ustring path;
        boolean watch;
    }

　　Zookeeper客户端在向服务器发送节点数据请求时，会发送GetDataRequest请求，该请求包含了数据节点路径path、是否注册Watcher的标识watch。

　　对于更新节点数据而言，其请求体如下：

    class SetDataRequest {
        ustring path;
        buffer data;
        int version;
    }

　　Zookeeper客户端在向服务器发送更新节点数据请求时，会发送SetDataRequest请求，该请求包含了数据节点路径path、数据内容data、节点数据的期望版本号version。

　　针对不同的请求类型，Zookeeper都会定义不同的请求体，可以在zookeeper.jute中查看，所有的请求都会按照此文件的描述进行序列化/反序列化。

　　2、响应协议

　　对于响应协议而言，如下为获取节点数据响应的完整协议定义：

　　　　　　　　　　　　

　　响应头中包含了每个响应最基本的信息，包括xid、zxid和err：　

    class ReplyHeader {
        int xid;
        long zxid;
        int err;
    }

　　xid与请求头中的xid一致，zxid表示Zookeeper服务器上当前最新的事务ID，err则是一个错误码，表示当请求处理过程出现异常情况时，就会在错误码中标识出来，常见的包括处理成功（Code.OK）、节点不存在（Code.NONODE）、没有权限（Code.NOAUTH）。

　　协议的响应主体内容部分，包含了响应的所有数据，不同的响应类型请求体不同。对于会话创建而言，其响应体如下：

    class ConnectResponse {
        int protocolVersion;
        int timeOut;
        long sessionId;
        buffer passwd;
    }

　　针对客户端的会话创建请求，服务端会返回客户端一个ConnectResponse响应，该响应体包含了版本号protocolVersion、会话的超时时间timeOut、会话标识sessionId和会话密码passwd。

　　对于获取节点数据而言，其响应体如下：

    class GetDataResponse {
        buffer data;
        org.apache.zookeeper.data.Stat stat;
    }

　　针对客户端的获取节点数据请求，服务端会返回客户端一个GetDataResponse响应，该响应体包含了数据节点内容data、节点状态stat。

　　对于更新节点数据而言，其响应体如下：　　

    class SetDataResponse {
        org.apache.zookeeper.data.Stat stat;
    }

　　针对客户端的更新节点数据请求，服务端会返回客户端一个SetDataResponse响应，该响应体包含了最新的节点状态stat。

　　针对不同的响应类型，Zookeeper都会定义不同的响应体，也可以在zookeeper.jute中查看。