一文彻底搞懂 zookeeper 核心知识点-低调大师

一文彻底搞懂 zookeeper 核心知识点

2020-12-07 573

本文收录在 GitHub 地址 https://github.com/chengxy-nds/Springboot-Notebook

唠唠叨叨

本文主要分享一下zookeeper的一些基本概念，在正式进入正题前，和大家聊一聊刚入行时我的面试经验，可以说是耿直的有些可爱。

面试官：用过zookeeper 吗？

我：用过啊，给dubbo提供服务的注册与发现嘛

面试官：知道 zookeeper 是什么吗？

我：知道啊，注册中心嘛

面试官：那你们项目中都是怎么用 zookeeper 的？

我：就在 springboot 的 application.properties 配置文件里添加一个 zookeeper 服务地址就行了。。。 . 上边的对话好像也没什么毛病，但似乎又感觉哪里有点不太对，结果就是每次我如此回答面试都被pass。

为什么会被问zookeeper？因为我的简历项目上写着熟练使用zookeeper，可面试官理解的 “熟练” 使用可不是会配置，工程启动不报错那么简单。所以还是有必要全面了解一下zookeeper的相关知识。

一、zookeeper初识？

Zookeeper 它作为Hadoop项目中的一个开源子项目，是一个经典的分布式数据一致性解决方案，致力于为分布式应用提供一个高性能、高可用，且具有严格顺序访问控制能力的分布式协调服务。

1、zookeeper数据模型

zookeeper 维护了一个类似文件系统的数据结构，每个子目录（/微信、/微信/公众号）都被称作为 znode 即节点。和文件系统一样，我们可以很轻松的对 znode 节点进行增加、删除等操作，而且还可以在一个znode下增加、删除子znode，区别在于文件系统的是，znode可以存储数据（严格说是必须存放数据，默认是个空字符）。

由于zookeeper是目录节点结构，在获取和创建节点时，必须要以“/” 开头，否则在获取节点时会报错 Path must start with / character。

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 13] get test
Command failed: java.lang.IllegalArgumentException: Path must start with / character

根节点名必须为“/XXX”，创建子节点时必须要带上根节点目录“/XXX/CCC”、“/XXX/AAA”。

例如：想要获取下图 程序员内点事 节点必须拼接完整的路径 get /微信/公众号/程序员内点事

get /微信/公众号/程序员内点事

znode被用来存储 byte级 或 kb级 的数据，可存储的最大数据量是1MB（请注意：一个节点的数据量不仅包含它自身存储数据，它的所有子节点的名字也要折算成Byte数计入，因此znode的子节点数也不是无限的）虽然可以手动的修改节点存储量大小，但一般情况下并不推荐这样做。

2、znode节点属性

一个znode节点不仅可以存储数据，还有一些其他特别的属性。接下来我们创建一个/test节点分析一下它各个属性的含义。

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 6] get /test
456
cZxid = 0x59ac //
ctime = Mon Mar 30 15:20:08 CST 2020
mZxid = 0x59ad
mtime = Mon Mar 30 15:22:25 CST 2020
pZxid = 0x59ac
cversion = 0
dataVersion = 2
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 3
numChildren = 0

节点属性	注解
cZxid	该数据节点被创建时的事务Id
mZxid	该数据节点被修改时最新的事物Id
pZxid	当前节点的父级节点事务Id
ctime	该数据节点创建时间
mtime	该数据节点最后修改时间
dataVersion	当前节点版本号（每修改一次值+1递增）
cversion	子节点版本号（子节点修改次数，每修改一次值+1递增）
aclVersion	当前节点acl版本号（节点被修改acl权限，每修改一次值+1递增）
ephemeralOwner	临时节点标示，当前节点如果是临时节点，则存储的创建者的会话id（sessionId），如果不是，那么值=0
dataLength	当前节点所存储的数据长度
numChildren	当前节点下子节点的个数

我们看到一个znode节点的属性比较多，但比较主要的属性还是zxid、version、acl 这三个。

Zxid：

znode节点状态改变会导致该节点收到一个zxid格式的时间戳，这个时间戳是全局有序的，znode节点的建立或者更新都会产生一个新的。如果zxid1的值 < zxid2的值，那么说明zxid2发生的改变在zxid1之后。每个znode节点都有3个zxid属性，cZxid（节点创建时间）、mZxid（该节点修改时间，与子节点无关）、pZxid（该节点或者该节点的子节点的最后一次创建或者修改时间，孙子节点无关）。

zxid属性主要应用于zookeeper的集群，这个后边介绍集群时详细说。

Version：

znode属性中一共有三个版本号dataversion（数据版本号）、cversion（子节点版本号）、aclversion（节点所拥有的ACL权限版本号）。

znode中的数据可以有多个版本，如果某一个节点下存有多个数据版本，那么查询这个节点数据就需要带上版本号。每当我们对znode节点数据修改后，该节点的dataversion版本号会递增。当客户端请求该znode节点时，会同时返回节点数据和版本号。另外当dataversion为 -1的时候可以忽略版本进行操作。对一个节点设置权限时aclVersion版本号会递增，下边会详细说ACL权限控制。

验证一下，我们修改/test节点的数据看看dataVersion 有什么变化，发现dataVersion 属性变成了 3，版本号递增了。

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 10] set /test 8888
cZxid = 0x59ac
ctime = Mon Mar 30 15:20:08 CST 2020
mZxid = 0x59b6
mtime = Mon Mar 30 16:58:08 CST 2020
pZxid = 0x59ac
cversion = 0
dataVersion = 3
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 4
numChildren = 0

3、znode的类型

zookeeper 有四种类型的znode，在用客户端 client 创建节点的时候需要指定类型。

zookeeper.create("/公众号/程序员内点事", "".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);

PERSISTENT-持久化目录节点：client创建节点后，与zookeeper断开连接该节点将被持久化，当client再次连接后节点依旧存在。
PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化顺序节点：client创建节点后，与zookeeper断开连接该节点将被持久化，再次连接节点还存在，zookeeper会给该节点名称进行顺序编号，例如：/lock/0000000001、/lock/0000000002、/lock/0000000003。
EPHEMERAL-临时目录节点： client与zookeeper断开连接后，该节点即会被删除
EPHEMERAL_SEQUENTIAL-临时顺序节点： client与zookeeper断开连接后，该节点被删除，会给该节点名称进行顺序编号，例如：/lock/0000000001、/lock/0000000002、/lock/0000000003。

二、节点的ACL权限控制

ACL：即 Access Control List (节点的权限控制)，通过ACL机制来解决znode节点的访问权限问题，要注意的是zookeeper对权限的控制是基于znode级别的，也就说节点之间的权限不具有继承性，即子节点不继承父节点的权限。

zookeeper中设置ACL权限的格式由<schema>:<id>:<acl>三段组成。

schema ：表示授权的方式

world：表示任何人都可以访问
auth：只有认证的用户可以访问
digest：使用username ：password用户密码生成MD5哈希值作为认证ID
host/ip：使用客户端主机IP地址来进行认证

id：权限的作用域，用来标识身份，依赖于schema选择哪种方式。

acl：给一个节点赋予哪些权限，节点的权限有create,、delete、write、read、admin 统称 cdwra。

1、`world`：表示任何人都可以访问

我们用 getAcl 命令来看一下，没有设置过权限的znode节点，默认情况下的权限情况。

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 12] getAcl /test
'world,'anyone
: cdrwa

看到没有设置ACL属性的节点，默认schema 使用的是world，作用域是anyone，节点权限是cdwra，也就是说任何人都可以访问。

那我们如果要给一个schema 为非world的节点设置world权限咋搞？

setAcl /test world:anyone:crdwa

2、`auth`：只有认证的用户可以访问

schema 用auth授权表示只有认证后的用户才可以访问，那么首先就需要添加认证用户，添加完以后需要对认证的用户设置ACL权限。

addauth digest test:password(明文)

需要注意的是设置认证用户时的密码是明文的。

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] addauth digest user:user //用户名：密码
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 5] setAcl /test auth:user:crdwa
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 6] getAcl /test
'digest,'user:ben+k/3JomjGj4mfd4fYsfM6p0A=
: cdrwa

实际上我们这样设置以后，就是将这个节点开放给所有认证的用户，setAcl /test auth:user:crdwa 相当于setAcl /test auth::crdwa。

3、`digest`：用户名:密码的验证方式

用户名:密码方式授权是针对单个特定用户，这种方式是不需要先添加认证用户的。

如果在代码中使用zookeeper客户端设置ACL，那么密码是明文的，但若是zk.cli等客户端操作就需要将密码进行sha1及base64处理。

setAcl <path> digest:<user>:<password(密文)>:<acl>

setAcl /test digest:user:jalRr+knv/6L2uXdenC93dEDNuE=:crdwa

那么密码如何加密嘞？有以下几种方式：

通过shell命令加密

echo -n <user>:<password> | openssl dgst -binary -sha1 | openssl base64

使用zookeeper自带的类库org.apache.zookeeper.server.auth.DigestAuthenticationProvider生成

java -cp /zookeeper-3.4.13/zookeeper-3.4.13.jar:/zookeeper-3.4.13/lib/slf4j-api-1.7.25.jar \
  org.apache.zookeeper.server.auth.DigestAuthenticationProvider \
  root:root
root:root->root:qiTlqPLK7XM2ht3HMn02qRpkKIE=

4、`host/ip`：使用客户端主机IP地址来进行认证

这种方式就比较好理解了，通过对特定的IP地址，也可以是一个IP段进行授权。

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 3] setAcl /test0000000014 ip:127.0.0.1:crdwa
cZxid = 0x59ac
ctime = Mon Mar 30 15:20:08 CST 2020
mZxid = 0x59b6
mtime = Mon Mar 30 16:58:08 CST 2020
pZxid = 0x59ac
cversion = 0
dataVersion = 3
aclVersion = 3 // 这个版本一直在增加
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 4
numChildren = 0

三、zookeeper的灵魂 watcher

我们在开头就说过：zookeeper可以为dubbo提供服务的注册与发现，作为注册中心，但你有想过zookeeper为啥能够实现服务的注册与发现吗？这就不得不说一下zookeeper的灵魂 Watcher（监听者）。

1、watcher是个啥？

watcher 是zooKeeper中一个非常核心功能，客户端watcher 可以监控节点的数据变化以及它子节点的变化，一旦这些状态发生变化，zooKeeper服务端就会通知所有在这个节点上设置过watcher的客户端，从而每个客户端都很快感知，它所监听的节点状态发生变化，而做出对应的逻辑处理。

简单的介绍了一下watcher ，那么我们来分析一下，zookeeper是如何实现服务的注册与发现。 zookeeper的服务注册与发现，主要应用的是zookeeper的znode节点数据模型和watcher机制，大致的流程如下：

服务注册： 服务提供者（Provider）启动时，会向zookeeper服务端注册服务信息，也就是创建一个节点，例如：用户注册服务com.xxx.user.register，并在节点上存储服务的相关数据（如服务提供者的ip地址、端口等）。
服务发现： 服务消费者（Consumer）启动时，根据自身配置的依赖服务信息，向zookeeper服务端获取注册的服务信息并设置watch监听，获取到注册的服务信息之后，将服务提供者的信息缓存在本地，并进行服务的调用。
服务通知： 一旦服务提供者因某种原因宕机不再提供服务之后，客户端与zookeeper服务端断开连接，zookeeper服务端上服务提供者对应服务节点会被删除（例如：用户注册服务com.xxx.user.register），随后zookeeper服务端会异步向所有消费用户注册服务com.xxx.user.register，且设置了watch监听的服务消费者发出节点被删除的通知，消费者根据收到的通知拉取最新服务列表，更新本地缓存的服务列表。

上边的过程就是zookeeper可以实现服务注册与发现的大致原理。

2、watcher类型

znode节点可以设置两类watch，一种是DataWatches，基于znode节点的数据变更从而触发 watch 事件，触发条件getData()、exists()、setData()、 create()。

另一种是Child Watches，基于znode的孩子节点发生变更触发的watch事件，触发条件 getChildren()、 create()。

而在调用 delete() 方法删除znode时，则会同时触发Data Watches和Child Watches，如果被删除的节点还有父节点，则父节点会触发一个Child Watches。

3、watcher特性

watch对节点的监听事件是一次性的！客户端在指定的节点设置了监听watch，一旦该节点数据发生变更通知一次客户端后，客户端对该节点的监听事件就失效了。

如果还要继续监听这个节点，就需要我们在客户端的监听回调中，再次对节点的监听watch事件设置为True。否则客户端只能接收到一次该节点的变更通知。

四、zookeeper能实现哪些功能

服务的注册与发现功能只是zookeeper的冰山一角，它还能实现诸如分布式锁、队列、配置中心等一系列功能，接下来我们只分析一下原理，具体的实现大家上网查一下资料还是比较全的。

1、分布式锁

zookeeper基于watcher机制和znode的有序节点，天生就是一个分布式锁的坯子。首先创建一个/test/lock父节点作为一把锁，尽量是持久节点（PERSISTENT类型），每个尝试获取这把锁的客户端，在/test/lock父节点下创建临时顺序子节点。

由于序号的递增性，我们规定序号最小的节点即获得锁。例如：客户端来获取锁，在/test/lock节点下创建节点为/test/lock/seq-00000001，它是最小的所以它优先拿到了锁，其它节点等待通知再次获取锁。/test/lock/seq-00000001执行完自己的逻辑后删除节点释放锁。

那么节点/test/lock/seq-00000002想要获取锁等谁的通知呢？

这里我们让/test/lock/seq-00000002节点监听/test/lock/seq-00000001节点，一旦/test/lock/seq-00000001节点删除，则通知/test/lock/seq-00000002节点，让它再次判断自己是不是最小的节点，是则拿到锁，不是继续等通知。

以此类推/test/lock/seq-00000003节点监听/test/lock/seq-00000002节点，总是让后一个节点监听前一个节点，不用让所有节点都监听最小的节点，避免设置不必要的监听，以免造成大量无效的通知，形成“羊群效应”。

zookeeper分布式锁和redis分布式锁相比，因为大量的创建、删除节点性能上比较差，并不是很推荐。

2、分布式队列

zookeeper实现分布式队列也很简单，应用znode的有序节点天然的“先进先出”，后创建的节点总是最大的，出队总是拿序号最小的节点即可。

3、配置管理

现在有很多开源项目都在使用Zookeeper来维护配置，像消息队列Kafka中，就使用Zookeeper来维护broker的信息；dubbo中管理服务的配置信息。原理也是基于watcher机制，例如：创建一个/config节点存放一些配置，客户端监听这个节点，一点修改/config节点的配置信息，通知各个客户端数据变更重新拉取配置信息。

4、命名服务

zookeeper的命名服务：也就是我们常说的服务注册与发现，主要是根据指定名字来获取资源或服务的地址，服务提供者等信息，利用其znode节点的特点和watcher机制，将其作为动态注册和获取服务信息的配置中心，统一管理服务名称和其对应的服务器列表信息，我们能够近乎实时地感知到后端服务器的状态(上线、下线、宕机)。

总结

本文旨在给大家介绍一下zookeeper的基础知识，像面试中被问频率较高的zookeeper集群选主等概念，并没有放在这期来写，因为集群的内容也是比较多的，我怕篇幅太长大家没有耐心看完（其实就是有点犯懒了，哈哈哈！）感兴趣的小伙伴可以关注一波，zookeeper集群我们下期见喽。

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自从2009年入职百度以来，已经经历了11年了，我自己从一线研发工程师开始，也逐步成长成为了带领复杂技术方向的技术负责人。10年多的工作历程，让我有幸经历了大范围的技术演变，特别是云计算和云原生技术从朦胧到普及，对工程师和架构师的要求也发生了不少变化。趁着自己入职11周年的日子，结合我自己在百度的成长历程，总结下我认为在云计算特别是云原生时代，对软件架构师的核心能力要求，希望帮助大家在通往架构师的路上少走弯路。本文是《云原生时代架构师的十大核心能力》下篇，若想了解文章上篇内容，可以阅读我的百度十年 | 云原生时代架构师的十大核心能力（上）（六）沟通表达和合作双赢能力沟通表达是工程师必不可少的基本能力。随着自身的成长，我也越来越多的参与到了诸如职称评定，技术评审和工作汇报等会议中。我发现很多同学做不到高效清晰的表达。比如有的同学在没有任何背景情况下，直接讲解决方案，下面听的同学完全不清楚方案要解决什么问题，自然无法进行判断；还比如有的同学对设计方案的局部细节花费了大量的时间进行描述，但是没有全局视角或者整体的介绍；再比如有的同学在做工作总结和汇报时，对技术方案进行了全面的说明，但...

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