掌握高并发、高可用架构

第三章 分布式

本章介绍分布式架构的底层技术。主要说明面试过程中可能被问到的技术点。

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第二节 Zookeeper

Zookeeper 分布式

1. Zookeeper是什么

Zookeeper是一个分布式的、开源的分布式应用程序协调服务。它是集群的管理者，监视着集群中各个节点的状态，并根据节点提交的反馈进行下一步合理的操作。

对于客户端的读操作，可以被集群中任意一台机器处理。如果读请求在节点上注册了监听器，这个监听器也是由所连接的机器来执行

对于客户端的写操作，这些请求会同时发给其他的zookeeper机器并达成一致后，请求才会返回成功

因此，随着集群机器的增多，读请求的吞吐会提高，而写请求的吞吐会下降

有序性是Zookeeper的另一个特点，所有的更新操作都是全局有序的；每个更新都有唯一的时间戳，称为zxid（Zookeeper Transaction Id）；而读请求只会相对于更新有序，也就是读请求的返回结果中会带有这个zookeeper的最新zxid

2. Zookeeper提供了什么

文件系统 和 通知机制

3. Zookeeper文件系统

Zookeeper提供了一个多层级的节点命名空间（节点称为znode）

与文件系统不同的是，它的每个节点都可以设置关联数据，而文件系统只有文件节点可以存放数据而目录节点不行

Zookeeper为了保证高吞吐和低延迟，在内存中维护了这个树状的目录结构，所以它不能存放大量的数据，每个节点的存放数据上限是1M

4. 四种类型的znode

1. PERSISTENT，持久化目录节点：客户端与Zookeeper断开连接后，该节点依旧存在
2. PERSISTENT_SEQUENTIAL，持久化顺序编号目录节点：客户端与Zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号
3. EPHEMERAL，临时目录节点：客户端与Zookeeper断开连接后，该节点被删除
4. EPHEMERAL_SEQUENTIAL，临时顺序编号目录节点：客户端与Zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号

5. Zookeeper通知机制

客户端注册监听它关心的目录节点，会对该znode建立一个watcher事件，当该znode发生变化（数据删除、被删除、子目录节点增加删除等）时，Zookeeper会通知客户端

6. Zookeeper可以做什么

1. 命名服务（利用文件系统的功能）：

​ 命名服务是指通过指定的名字来获取资源或服务的地址，即利用Zookeeper创建一个全局的路径，也就是唯一的路径，这个路径可以作为一个名字，指向集群中的机器、提供服务的地址、一个远程对象等

2. 配置管理（利用文件系统、通知机制）：

​ 程序分布式的部署在不同的机器上，将程序的配置信息放在zookeeper的znode下，当配置发生变化时，也就是znode发生变化时，利用watcher通知各个客户端，从而更改配置

3. 集群管理（文件系统、通知机制）：

​ 所谓集群管理无非两点，是否有机器退出或加入、选举master

​ 第一点，所有机器约定在父目录下创建临时目录节点，然后监听父目录节点的子节点变化信息；如果有机器挂了，该机器就会与Zookeeper断开连接，其创建的临时目录就会删除，此时就会通知所有机器，有个兄弟机器挂了；同理，机器加入也是一样

​ 第二点，所有机器创建临时顺序编号目录节点，每次都选取编号最小的机器作为master

4. 分布式锁（文件系统、通知机制）：

​ 有了Zookeeper的一致性文件系统，锁变得简单。锁服务可以分为两类：保持独占，控制时序

​ 对于保持独占，我们将znode看作一把锁，通过createznode的方式来实现；所有客户端都去创建/distribute_lock节点，最终成功创建的那个客户端也就获取了这把锁，用完删掉/distribute_lock节点，即可释放锁

​ 对于控制时序，/distribute_lock已经预先存在，所有客户端在它下面创建临时顺序编号目录节点，和选举master一样，编号最小的获得锁，用完删除自己的临时顺序编号目录节点

5. 队列管理（文件系统、通知机制）：
   • 同步队列，只有队列成员都聚齐时才可用，否则一直等待：在约定目录下创建临时目录节点，查看监听节点的数量是否是我们要求的数量
   • 队列按照FIFO方式进行入队和出队操作：和分布式锁的控制时序的基本原理一致，在特定目录下创建持久顺序编号目录节点，创建成功则Watcher通知等待的队列，删除最小号的节点用于消费

7. 获取分布式锁的过程

在分布式锁的场景下，会提前在Zookeeper中创建一个持久节点ParentLocker（名字叫什么都可以）

当客户端要获取锁时，需要在ParentLocker下创建一个临时顺序编号节点Locker-n，首先，查找ParentLocker下的所有临时子节点并排序，并且判断自己创建的Locker-n是不是顺序编号最小的，如果是，则临时节点Locker-n创建成功，也就是获取锁成功；如果不是最小的，此时找到排序仅比自己靠前的节点，向其注册监听Watcher，监听其是否存在（exist），也就是该客户端获取锁失败，进入等待；当前一个节点被删除时，客户端会收到通知，然后再次判断自己是不是最小的，如果是则获取锁成功，如果不是，则再重复以上步骤

8. Zookeeper的工作原理

Zookeeper的核心是原子广播，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。Zab协议有两种模式，恢复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者领导者崩溃后，Zab进入恢复模式；当选举了新的领导者，并且大多数Server和leader的状态同步完成之后，恢复模式就结束了。状态同步保证了leader和server之间有相同的系统状态

9. Zookeeper如何保证事务的一致性

采用递增的事务ID：zxid来标识，所有的proposal（提议）都会加上zxid。zxid是64位的数字，高32位是epoch，用来标识leader是否发生变化，如果是新选举的leader，则epoch会递增；低32位是递增计数的。当有新的proposal提出时，首先向其他server发出事务执行请求，如果有超过半数的机器都能执行且能够执行成功，然后才会开始执行

10. Zookeeper的Server工作状态

• LOOKING，当前server不知道leader是谁，正在搜索
• LEADING，当前server为leader
• FOLLOWING，普通server，与leader进行同步

11. Zookeeper是如何选举leader的

当leader崩溃或失去大多数follower，这时会进入恢复模式。选举算法有两种：一种是基于basic paxos实现的，一种是基于fast paxos实现的，默认是fast paxos。

• basic paxos算法

  a) 每个Server上的选举线程由当前Server发起选举的线程担任，主要职责是对各个投票结果进行统计，选举 出新的leader

  b) 选举线程向所有Server发起一次询问（包括自己）

  c) 选举线程收到回复后，验证是否是自己发出的询问（验证zxid是否一致），然后获取对方的myid，将之存储到当前询问的对象列表中，最后获取对方提议的leader相关信息（myid，zxid），存储到当次选举的投票记录中

  d) 收到所有的Server回复后，计算出zxid大的Server，然后统计它的票数，如果它获得了n/2+1的Server票数，则设置为新的leader。否则，重新再次选举

  通过该选举流程可以得出，要使leader获得多数Server的支持，Server的总数必须是奇数2n+1，且存活的Server数目不得少于n+1
  

• fast paxos算法

  在选举时，首先向所有Server提议自己要成为leader，当其他Server收到提议后，会进行PK（zxid大myid大的获胜），并回复同意还是拒绝，重复这个流程，就会选择出一个新的leader

12. 同步流程

选完leader后，进入同步流程

1. leader等待server连接
2. follower连接leader，将自己大的zxid发送给leader
3. leader根据follower的zxid判断同步点
4. 完成同步后通知follower已成为uptodate状态
5. follower收到uptodate通知后，就可以接收客户端的请求了

13. Zookeeper的负载均衡和NGINX的负载均衡

zk的负载均衡可以调控，nginx只能调权重，其他的都要自己写插件，但是nginx的吞吐量比zk大得多

14. watch机制

一个watch事件是一个一次性的触发器，当被设置了watch的数据发生了变化时，服务器会将这个变化发送给设置了watch的客户端

1. 数据发生改变时，一个watch event会被发送给客户端，但是只会发送一次
2. watch event从server发送到client是异步的，只保证数据的最终一致性
3. getData()、exists()设置数据监控，getChildren()设置子节点监控
4. 注册watcher：getData、exists、getChildren
5. 触发watcher：create、delete、setData
6. setData()成功的话会触发当前znode的数据监控；create()成功的话会触发当前znode的数据监控，以及父节点的子节点监控；delete()成功的话会触发当前znode的数据监控和子节点监控（因为子节点也发生了变化），以及其父节点的子节点监控
7. 当客户端与服务器断开连接后，是无法收到watch事件的，而当客户端重新连接后，如果有需要的话，之前注册的watch会被重新注册的
8. Watch是轻量级的，其实就是本地的Callback（客户端创建连接时，public Zookeeper(String connStr, int sessionTimeout, Watcher watcher)），服务器端只是存储了是否设置了watch的布尔变量

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