Zookeeper特性与节点数据类型详解

server/2025/1/15 9:26:04/

1、 Zookeeper介绍

ZooKeeper 是一个开源的分布式协调框架，是Apache Hadoop 的一个子项目，主要用来解决分布式集群中应用系统的一致性问题。Zookeeper 的设计目标是将那些复杂且容易出错的分布式一致性服务封装起来，构成一个高效可靠的原语集，并以一系列简单易用的接口提供给用户使用。

官方：https://zookeeper.apache.org/

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ZooKeeper本质上是一个分布式的小文件存储系统（Zookeeper=文件系统+监听机制）。提供基于类似于文件系统的目录树方式的数据存储，并且可以对树中的节点进行有效管理，从而用来维护和监控存储的数据的状态变化。通过监控这些数据状态的变化，从而可以达到基于数据的集群管理、统一命名服务、分布式配置管理、分布式消息队列、分布式锁、分布式协调等功能。

Zookeeper从设计模式角度来理解：是一个基于观察者模式设计的分布式服务管理框架，它负责存储和管理大家都关心的数据，然后接受观察者的注册，一旦这些数据的状态发生变化，Zookeeper 就将负责通知已经在Zookeeper上注册的那些观察者做出相应的反应。

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2、Zookeeper快速开始

2.1 Zookeeper安装

下载地址：https://zookeeper.apache.org/releases.html

运行环境：jdk8

1）修改配置文件

解压安装包后进入conf目录，复制zoo_sample.cfg，修改为zoo.cfg

cp zoo_sample.cfg zoo.cfg

修改 zoo.cfg 配置文件，将 dataDir=/tmp/zookeeper 修改为指定的data目录

zoo.cfg中参数含义：
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2）启动zookeeper server

# 可以通过 bin/zkServer.sh  来查看都支持哪些参数 
# 默认加载配置路径conf/zoo.cfg
bin/zkServer.sh start
bin/zkServer.sh start conf/my_zoo.cfg
# 查看zookeeper状态
bin/zkServer.sh status

3）启动zookeeper client连接Zookeeper server

bin/zkCli.sh
# 连接远程的zookeeper server
bin/zkCli.sh -server ip:port

2.2 客户端命令行操作

输入命令 help 查看zookeeper支持的所有命令：

常见cli命令

https://zookeeper.apache.org/doc/r3.8.0/zookeeperCLI.html

命令基本语法
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2.3 GUI工具

  • Zookeeper图形化工具：ZooInspector
  • Zookeeper图形化工具：开源的prettyZoo
  • Zookeeper图形化工具：收费的ZooKeeperAssistant

3、ZooKeeper数据结构

ZooKeeper 数据模型的结构与 Unix 文件系统很类似，整体上可以看作是一棵树，每个节点称做一个 ZNode。

ZooKeeper的数据模型是层次模型，层次模型常见于文件系统。层次模型和key-value模型是两种主流的数据模型。ZooKeeper使用文件系统模型主要基于以下两点考虑:

  1. 文件系统的树形结构便于表达数据之间的层次关系
  2. 文件系统的树形结构便于为不同的应用分配独立的命名空间( namespace )

ZooKeeper的层次模型称作Data Tree，Data Tree的每个节点叫作Znode。不同于文件系统，每个节点都可以保存数据，每一个 ZNode 默认能够存储 1MB 的数据，每个 ZNode 都可以通过其路径唯一标识，每个节点都有一个版本(version)，版本从0开始计数。

public class DataTree {private final ConcurrentHashMap<String, DataNode> nodes =new ConcurrentHashMap<String, DataNode>();private final WatchManager dataWatches = new WatchManager();private final WatchManager childWatches = new WatchManager();}
public class DataNode implements Record {byte data[];Long acl;public StatPersisted stat;private Set<String> children = null;}

3.1 节点分类

zookeeper存在几种不同的节点类型，他们具有不同的生命周期：

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一个znode可以使持久性的，也可以是临时性的:

  1. 持久节点(PERSISTENT): 这样的znode在创建之后即使发生ZooKeeper集群宕机或者client宕机也不会丢失。

  2. 临时节点(EPHEMERAL ): client宕机或者client在指定的timeout时间内没有给ZooKeeper集群发消息，这样的znode就会消失。

如果上面两种znode具备顺序性，又有以下两种znode :

  1. 持久顺序节点(PERSISTENT_SEQUENTIAL): znode除了具备持久性znode的特点之外，znode的名字具备顺序性。

  2. 临时顺序节点(EPHEMERAL_SEQUENTIAL): znode除了具备临时性znode的特点之外，zorde的名字具备顺序性。

zookeeper主要用到的是以上4种节点。

  1. Container节点 (3.5.3版本新增)：Container容器节点，当容器中没有任何子节点，该容器节点会被zk定期删除（定时任务默认60s 检查一次)。 和持久节点的区别是 ZK 服务端启动后，会有一个单独的线程去扫描，所有的容器节点，当发现容器节点的子节点数量为 0 时，会自动删除该节点。可以用于 leader 或者锁的场景中。

  2. TTL节点: 带过期时间节点，默认禁用，需要在zoo.cfg中添加 extendedTypesEnabled=true 开启。

#创建持久节点
create /servers  xxx
#创建临时节点
create -e /servers/host  xxx
#创建临时有序节点
create -e -s /servers/host  xxx
#创建容器节点
create -c /container xxx
# 创建ttl节点
create -t 10 /ttl

示例：实现分布式锁

分布式锁要求如果锁的持有者宕了，锁可以被释放。ZooKeeper 的 ephemeral 节点恰好具备这样的特性。

终端1:

zkCli.sh
create –e /lock
quit

终端2：

zkCli.sh
create –e /lock
stat –w /lock
create –e /lock

节点状态信息

类似于树状结构，节点下面是可以存储一些信息和属性的。可以通过stat命令来进行查看。

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  • cZxid ：Znode创建的事务id。
  • ctime：节点创建时的时间戳。
  • mZxid ：Znode被修改的事务id，即每次对znode的修改都会更新mZxid。

对于zk来说，每次的变化都会产生一个唯一的事务id，zxid（ZooKeeper Transaction Id），通过zxid，可以确定更新操作的先后顺序。例如，如果zxid1小于zxid2，说明zxid1操作先于zxid2发生，zxid对于整个zk都是唯一的，即使操作的是不同的znode。

  • pZxid:
    表示该节点的子节点列表最后一次修改的事务ID，添加子节点或删除子节点就会影响子节点列表，但是修改子节点的数据内容则不影响该ID（注意: 只有子节点列表变更了才会变更pzxid，子节点内容变更不会影响pzxid）
  • mtime：节点最新一次更新发生时的时间戳.
  • cversion ：子节点的版本号。当znode的子节点有变化时，cversion 的值就会增加1。
  • dataVersion：数据版本号，每次对节点进行set操作，dataVersion的值都会增加1（即使设置的是相同的数据），可有效避免了数据更新时出现的先后顺序问题。
  • ephemeralOwner:如果该节点为临时节点, ephemeralOwner值表示与该节点绑定的session id。如果不是, ephemeralOwner值为0(持久节点)。
    在client和server通信之前,首先需要建立连接,该连接称为session。连接建立后,如果发生连接超时、授权失败,或者显式关闭连接,连接便处于closed状态, 此时session结束。
  • dataLength ： 数据的长度
  • numChildren ：子节点的数量
    （只统计直接子节点的数量）

3.2 监听机制详解

watch机制，顾名思义是一个监听机制。Zookeeper中的watch机制，必须客户端先去服务端注册监听，这样事件发送才会触发监听，通知给客户端。

监听的对象是事件，支持的事件类型如下：

  • None: 连接建立事件
  • NodeCreated： 节点创建
  • NodeDeleted： 节点删除
  • NodeDataChanged：节点数据变化
  • NodeChildrenChanged：子节点列表变化
  • DataWatchRemoved：节点监听被移除
  • ChildWatchRemoved：子节点监听被移除
#监听节点数据的变化
get -w path 
stat -w path
#监听子节点增减的变化 
ls -w path

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永久性Watch

在被触发之后，仍然保留，可以继续监听ZNode上的变更，是Zookeeper 3.6.0版本新增的功能

addWatch [-m mode] path

addWatch的作用是针对指定节点添加事件监听，支持两种模式

  • PERSISTENT，持久化订阅，针对当前节点的修改和删除事件，以及当前节点的子节点的删除和新增事件。
  • PERSISTENT_RECURSIVE，持久化递归订阅(默认)，在PERSISTENT的基础上，增加了子节点修改的事件触发，以及子节点的子节点的数据变化都会触发相关事件（满足递归订阅特性）

示例: 协同服务

设计一个master-worker的组成员管理系统，要求系统中只能有一个master , master能实时获取系统中worker的情况。

保证组里面只有一个master的设计思路

#master1
create -e /master "m1:2223"  
#master2
create -e /master "m2:2223"   # /master已经存在，创建失败
Node already exists: /master
#监听/master节点
stat -w /master
#当master2收到/master节点删除通知后可以再次发起创建节点操作
create -e /master "m2:2223"

master-slave选举也可以用这种方式

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master监控worker状态的设计思路

#master服务
create /workers
#让master服务监控/workers下的子节点
ls -w /workers
#worker1
create -e /workers/w1 "w1:2224" #创建子节点，master服务会收到子节点变化通知
#master服务
ls -w /workers
#worker2
create -e /workers/w2 "w2:2224"  #创建子节点，master服务会收到子节点变化通知
#master服务
ls -w /workers
#worker2
quit  #worker2退出，master服务会收到子节点变化通知

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3.3 节点特性总结

1.同一级节点 key 名称是唯一的

已存在/lock节点，再次创建会提示已经存在

2.创建节点时，必须要带上全路径

3.session 关闭，临时节点清除

4.自动创建顺序节点

5.watch 机制，监听节点变化

事件监听机制类似于观察者模式，watch 流程是客户端向服务端某个节点路径上注册一个 watcher，同时客户端也会存储特定的 watcher，当节点数据或子节点发生变化时，服务端通知客户端，客户端进行回调处理。特别注意：监听事件被单次触发后，事件就失效了。

6.delete 命令只能一层一层删除。提示：新版本可以通过 deleteall 命令递归删除。

3.4 应用场景详解

ZooKeeper适用于存储和协同相关的关键数据，不适合用于大数据量存储。

有了上述众多节点特性，使得 zookeeper 能开发不出不同的经典应用场景，比如：

  • 注册中心
  • 数据发布/订阅（常用于实现配置中心）
  • 负载均衡
  • 命名服务
  • 分布式协调/通知
  • 集群管理
  • Master选举
  • 分布式锁
  • 分布式队列

统一命名服务

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。

例如：IP不容易记住，而域名容易记住。

在这里插入图片描述

利用 ZooKeeper 顺序节点的特性，制作分布式的序列号生成器，或者叫 id 生成器。（分布式环境下使用作为数据库 id，另外一种是 UUID（缺点：没有规律）），ZooKeeper 可以生成有顺序的容易理解的同时支持分布式环境的编号。

/
└── /order
├── /order-date1-000000000000001
├── /order-date2-000000000000002
├── /order-date3-000000000000003
├── /order-date4-000000000000004
└── /order-date5-000000000000005

数据发布/订阅

数据发布/订阅的一个常见的场景是配置中心，发布者把数据发布到 ZooKeeper 的一个或一系列的节点上，供订阅者进行数据订阅，达到动态获取数据的目的。

配置信息一般有几个特点:

1 数据量小的KV
2 数据内容在运行时会发生动态变化
3 集群机器共享，配置一致

ZooKeeper 采用的是推拉结合的方式。

推: 服务端会推给注册了监控节点的客户端 Watcher 事件通知
拉: 客户端获得通知后，然后主动到服务端拉取最新的数据

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统一集群管理

分布式环境中，实时掌握每个节点的状态是必要的，可根据节点实时状态做出一些调整。

ZooKeeper可以实现实时监控节点状态变化：

  • 可将节点信息写入ZooKeeper上的一个ZNode。
  • 监听这个ZNode可获取它的实时状态变化。

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负载均衡

在Zookeeper中记录每台服务器的访问数，让访问数最少的服务器去处理最新的客户端请求

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Master-Worker架构

master-worker是一个广泛使用的分布式架构。 master-work架构中有一个master负责监控worker的状态，并为

worker分配任务。

  • 在任何时刻，系统中最多只能有一个master，不可以出现两个master的情况，多个master共存会导致脑裂。
  • 系统中除了处于active状态的master还有一个backup master，如果active master失败了，backup master可以很快的进入active状态。
  • master实时监控worker的状态，能够及时收到worker成员变化的通知。master在收到worker成员变化的时候，通常重新进行任务的重新分配。

http://www.ppmy.cn/server/158510.html

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