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  • zookeeper 内部机制学习

                 zookeeper 内部机制学习

    1. zk的设计目标

    • 最终一致性:client不论连接到那个Server,展示给它的都是同一个视图。
    • 可靠性:具有简单、健壮、良好的性能、如果消息m被到一台服务器接收,那么消息m将被所有服务器接收。
    • 实时性:Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新信息,或者服务器失效的信息。但由于网络延时等原因,Zookeeper不能保证两个客户端能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。
    • 等待无关(wait-free):慢的或者失效的client不得干预快速的client的请求,使得每个client都能有效的等待。
    • 原子性:更新只能成功或者失败,没有中间状态。
    • 顺序性:包括全局有序和偏序两种:全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布,则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布;偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布,a必将排在b前面。

    2. zk的连接方式

    ZooKeeper 的客户端程序会选择和集群中的任意一台服务器创建一个 TCP 连接,而且一旦客户端和服务器断开连接,客户端就会自动连接到集群中的其他服务器。

    3.zookeeper数据同步

    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(ZooKeeper Atomic Broadcast protocol)。Zab协议有两种模式,它们分别是恢复模式(Recovery选主)和广播模式(Broadcast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4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。

    OBSERVING:observer的行为在大多数情况下与follower完全一致,但是他们不参加选举和投票,而仅仅接受(observing)选举和投票的结果。

    4.客户端选择服务器

    客户端在初始化( new ZooKeeper(String connectString, int sessionTimeout, Watcher watcher) )的过程中,将所有Server保存在一个List中,然后随机打散,形成一个环。之后从0号位开始一个一个使用。
    两个注意点:

    1. Server地址能够重复配置,这样能够弥补客户端无法设置Server权重的缺陷,但是也会加大风险。(比如: 192.168.1.1:2181,192.168.1.1:2181,192.168.1.2:2181).

    2. 如果客户端在进行Server切换过程中耗时过长,那么将会收到SESSION_EXPIRED. 这也是上面第1点中的加大风险之处

    5. zookeeper数据同步

    5.1 数据触发

     Zookeeper是一个由多个Server组成的集群,该集群有一个Leader,多个Follower。客户端可以连接任意ZooKeeper服务节点来读写数据

    ZK集群中每个Server,都保存一份数据副本。Zookeeper使用简单的同步策略,通过以下两条基本保证来实现数据的一致性:

    5.2 数据同步

    leader构建NEWLEADER包,内含leader最大数据的zxid, 广播给follows,然后leader根据follower数量为每个follower创建一个LearnerHandler线程来处理同步请求:leader主线程阻塞,等待超过半数follower同步完数据之后成为正式leader。
    follower接收到NEWLEADER包后响应FOLLOWERINFO给leader,告知本方数据最大的zxid值; leader接收到回馈后开始判断:

    1. 如果follower和leader数据一致,则直接发送DIFF告知已经同步;
    2. 判断这一阶段内有无已经北提交的决议值,如果有,那么
      a) 如果有部分数据没有同步,leader发送DIFF包将有差异的数据同步过去,同时将follower没有的数据逐个发送commit包给follower要求记录下来;
      b) 如果follower数据zxid更大,发送TRUNC包给follower要求删除多余数据
    3. 如果这一阶段没有提交的决议,直接发送SNAP包将快照同步给follower

    以上消息完毕后,LEADER发送UPTODATE包告知follower当前数据已同步,等待follower的ACK完成同步过程。

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