ZooKeeper是Hadoop Ecosystem中非常重要的組件，它的主要功能是為分布式系統提供一致性協調(Coordination)服務，與之對應的Google的類似服務叫 Chubby。今天這篇文章分為三個部分來介紹ZooKeeper，第一部分介紹ZooKeeper的基本原理，第二部分介紹ZooKeeper提供的 Client API的使用，第三部分介紹一些ZooKeeper典型的應用場景。

ZooKeeper基本原理

1. 數據模型

如上圖所示，ZooKeeper數據模型的結構與Unix文件系統很類似，整體上可以看作是一棵樹，每個節點稱做一個ZNode。每個ZNode都可以通過其路徑唯一標識，比如上圖中第三層的第一個ZNode, 它的路徑是/app1/c1。在每個ZNode上可存儲少量數據(默認是1M, 可以通過配置修改, 通常不建議在ZNode上存儲大量的數據)，這個特性非常有用，在后面的典型應用場景中會介紹到。另外，每個ZNode上還存儲了其Acl信息，這里需要注意，雖說ZNode的樹形結構跟Unix文件系統很類似，但是其Acl與Unix文件系統是完全不同的，每個ZNode的Acl的獨立的，子結點不會繼承父結點的。

2.重要概念 

2.1 ZNode
前文已介紹了ZNode, ZNode根據其本身的特性，可以分為下面兩類：

• Regular ZNode: 常規型ZNode, 用戶需要顯式的創建、刪除
• Ephemeral ZNode: 臨時型ZNode, 用戶創建它之后，可以顯式的刪除，也可以在創建它的Session結束后，由ZooKeeper Server自動刪除

    ZNode還有一個Sequential的特性，如果創建的時候指定的話，該ZNode的名字后面會自動Append一個不斷增加的SequenceNo。

2.2 Session
Client與ZooKeeper之間的通信，需要創建一個Session，這個Session會有一個超時時間。因為ZooKeeper集群會把 Client的Session信息持久化，所以在Session沒超時之前，Client與ZooKeeper Server的連接可以在各個ZooKeeper Server之間透明地移動。

    在實際的應用中，如果Client與Server之間的通信足夠頻繁，Session的維護就不需要其它額外的消息了。否則，ZooKeeper Client會每t/3 ms發一次心跳給Server，如果Client 2t/3 ms沒收到來自Server的心跳回應，就會換到一個新的ZooKeeper Server上。這里t是用戶配置的Session的超時時間。

2.3 Watcher
ZooKeeper支持一種Watch操作，Client可以在某個ZNode上設置一個Watcher，來Watch該ZNode上的變化。如果該 ZNode上有相應的變化，就會觸發這個Watcher，把相應的事件通知給設置Watcher的Client。需要注意的是，ZooKeeper中的 Watcher是一次性的，即觸發一次就會被取消，如果想繼續Watch的話，需要客戶端重新設置Watcher。這個跟epoll里的oneshot模式有點類似。

3. ZooKeeper特性 

3.1 讀、寫(更新)模式
在ZooKeeper集群中，讀可以從任意一個ZooKeeper Server讀，這一點是保證ZooKeeper比較好的讀性能的關鍵；寫的請求會先Forwarder到Leader，然后由Leader來通過 ZooKeeper中的原子廣播協議，將請求廣播給所有的Follower，Leader收到一半以上的寫成功的Ack后，就認為該寫成功了，就會將該寫進行持久化，并告訴客戶端寫成功了。

3.2 WAL和Snapshot
和大多數分布式系統一樣，ZooKeeper也有WAL(Write-Ahead-Log)，對于每一個更新操作，ZooKeeper都會先寫WAL, 然后再對內存中的數據做更新，然后向Client通知更新結果。另外，ZooKeeper還會定期將內存中的目錄樹進行Snapshot，落地到磁盤上，這個跟HDFS中的FSImage是比較類似的。這么做的主要目的，一當然是數據的持久化，二是加快重啟之后的恢復速度，如果全部通過Replay WAL的形式恢復的話，會比較慢。

3.3 FIFO
對于每一個ZooKeeper客戶端而言，所有的操作都是遵循FIFO順序的，這一特性是由下面兩個基本特性來保證的：一是ZooKeeper Client與Server之間的網絡通信是基于TCP，TCP保證了Client/Server之間傳輸包的順序；二是ZooKeeper Server執行客戶端請求也是嚴格按照FIFO順序的。

3.4 Linearizability
在ZooKeeper中，所有的更新操作都有嚴格的偏序關系，更新操作都是串行執行的，這一點是保證ZooKeeper功能正確性的關鍵。

ZooKeeper Client API

    ZooKeeper Client Library提供了豐富直觀的API供用戶程序使用，下面是一些常用的API：

• create(path, data, flags): 創建一個ZNode, path是其路徑，data是要存儲在該ZNode上的數據，flags常用的有: PERSISTEN, PERSISTENT_SEQUENTAIL, EPHEMERAL, EPHEMERAL_SEQUENTAIL
• delete(path, version): 刪除一個ZNode，可以通過version刪除指定的版本, 如果version是-1的話，表示刪除所有的版本
• exists(path, watch): 判斷指定ZNode是否存在，并設置是否Watch這個ZNode。這里如果要設置Watcher的話，Watcher是在創建ZooKeeper實例時指定的，如果要設置特定的Watcher的話，可以調用另一個重載版本的exists(path, watcher)。以下幾個帶watch參數的API也都類似
• getData(path, watch): 讀取指定ZNode上的數據，并設置是否watch這個ZNode
• setData(path, watch): 更新指定ZNode的數據，并設置是否Watch這個ZNode
• getChildren(path, watch): 獲取指定ZNode的所有子ZNode的名字，并設置是否Watch這個ZNode
• sync(path): 把所有在sync之前的更新操作都進行同步，達到每個請求都在半數以上的ZooKeeper Server上生效。path參數目前沒有用
• setAcl(path, acl): 設置指定ZNode的Acl信息
• getAcl(path): 獲取指定ZNode的Acl信息

ZooKeeper典型應用場景

1. 名字服務(NameService) 
分布式應用中，通常需要一套完備的命令機制，既能產生唯一的標識，又方便人識別和記憶。 我們知道，每個ZNode都可以由其路徑唯一標識，路徑本身也比較簡潔直觀，另外ZNode上還可以存儲少量數據，這些都是實現統一的 NameService的基礎。下面以在HDFS中實現NameService為例，來說明實現NameService的基本布驟:

• 目標：通過簡單的名字來訪問指定的HDFS機群
• 定義命名規則：這里要做到簡潔易記憶。下面是一種可選的方案： [serviceScheme://][zkCluster]-[clusterName]，比如hdfs://lgprc-example/表示基于 lgprc ZooKeeper集群的用來做example的HDFS集群
• 配置DNS映射: 將zkCluster的標識lgprc通過DNS解析到對應的ZooKeeper集群的地址
• 創建ZNode: 在對應的ZooKeeper上創建/NameService/hdfs/lgprc-example結點，將HDFS的配置文件存儲于該結點下
• 用戶程序要訪問hdfs://lgprc-example/的HDFS集群，首先通過DNS找到lgprc的ZooKeeper機群的地址，然后在 ZooKeeper的/NameService/hdfs/lgprc-example結點中讀取到HDFS的配置，進而根據得到的配置，得到HDFS的實際訪問入口

2. 配置管理(Configuration Management) 
 在分布式系統中，常會遇到這樣的場景: 某個Job的很多個實例在運行，它們在運行時大多數配置項是相同的，如果想要統一改某個配置，一個個實例去改，是比較低效，也是比較容易出錯的方式。通過ZooKeeper可以很好的解決這樣的問題，下面的基本的步驟：

• 將公共的配置內容放到ZooKeeper中某個ZNode上，比如/service/common-conf
• 所有的實例在啟動時都會傳入ZooKeeper集群的入口地址，并且在運行過程中Watch /service/common-conf這個ZNode
• 如果集群管理員修改了了common-conf，所有的實例都會被通知到，根據收到的通知更新自己的配置，并繼續Watch /service/common-conf

3. 組員管理(Group Membership) 
在典型的Master-Slave結構的分布式系統中，Master需要作為“總管”來管理所有的Slave, 當有Slave加入，或者有Slave宕機，Master都需要感知到這個事情，然后作出對應的調整，以便不影響整個集群對外提供服務。以HBase為例，HMaster管理了所有的RegionServer，當有新的RegionServer加入的時候，HMaster需要分配一些Region到該 RegionServer上去，讓其提供服務；當有RegionServer宕機時，HMaster需要將該RegionServer之前服務的 Region都重新分配到當前正在提供服務的其它RegionServer上，以便不影響客戶端的正常訪問。下面是這種場景下使用ZooKeeper的基本步驟：

• Master在ZooKeeper上創建/service/slaves結點，并設置對該結點的Watcher
• 每個Slave在啟動成功后，創建唯一標識自己的臨時性(Ephemeral)結點/service/slaves/${slave_id}，并將自己地址(ip/port)等相關信息寫入該結點
• Master收到有新子結點加入的通知后，做相應的處理
• 如果有Slave宕機，由于它所對應的結點是臨時性結點，在它的Session超時后，ZooKeeper會自動刪除該結點
• Master收到有子結點消失的通知，做相應的處理

4. 簡單互斥鎖(Simple Lock) 
我們知識，在傳統的應用程序中，線程、進程的同步，都可以通過操作系統提供的機制來完成。但是在分布式系統中，多個進程之間的同步，操作系統層面就無能為力了。這時候就需要像ZooKeeper這樣的分布式的協調(Coordination)服務來協助完成同步，下面是用ZooKeeper實現簡單的互斥鎖的步驟，這個可以和線程間同步的mutex做類比來理解：

• 多個進程嘗試去在指定的目錄下去創建一個臨時性(Ephemeral)結點 /locks/my_lock
• ZooKeeper能保證，只會有一個進程成功創建該結點，創建結點成功的進程就是搶到鎖的進程，假設該進程為A
• 其它進程都對/locks/my_lock進行Watch
• 當 A進程不再需要鎖，可以顯式刪除/locks/my_lock釋放鎖；或者是A進程宕機后Session超時，ZooKeeper系統自動刪除 /locks/my_lock結點釋放鎖。此時，其它進程就會收到ZooKeeper的通知，并嘗試去創建/locks/my_lock搶鎖，如此循環反復

5. 互斥鎖(Simple Lock without Herd Effect) 
上一節的例子中有一個問題，每次搶鎖都會有大量的進程去競爭，會造成羊群效應(Herd Effect)，為了解決這個問題，我們可以通過下面的步驟來改進上述過程：

• 每個進程都在ZooKeeper上創建一個臨時的順序結點(Ephemeral Sequential) /locks/lock_${seq}
• ${seq}最小的為當前的持鎖者(${seq}是ZooKeeper生成的Sequenctial Number)
• 其它進程都對只watch比它次小的進程對應的結點，比如2 watch 1, 3 watch 2, 以此類推
• 當前持鎖者釋放鎖后，比它次大的進程就會收到ZooKeeper的通知，它成為新的持鎖者，如此循環反復

    這里需要補充一點，通常在分布式系統中用ZooKeeper來做Leader Election(選主)就是通過上面的機制來實現的，這里的持鎖者就是當前的“主”。

6. 讀寫鎖(Read/Write Lock) 
我們知道，讀寫鎖跟互斥鎖相比不同的地方是，它分成了讀和寫兩種模式，多個讀可以并發執行，但寫和讀、寫都互斥，不能同時執行行。利用ZooKeeper，在上面的基礎上，稍做修改也可以實現傳統的讀寫鎖的語義，下面是基本的步驟:

• 每個進程都在ZooKeeper上創建一個臨時的順序結點(Ephemeral Sequential) /locks/lock_${seq}
• ${seq}最小的一個或多個結點為當前的持鎖者，多個是因為多個讀可以并發
• 需要寫鎖的進程，Watch比它次小的進程對應的結點
• 需要讀鎖的進程，Watch比它小的最后一個寫進程對應的結點
• 當前結點釋放鎖后，所有Watch該結點的進程都會被通知到，他們成為新的持鎖者，如此循環反復

7. 屏障(Barrier) 
在分布式系統中，屏障是這樣一種語義: 客戶端需要等待多個進程完成各自的任務，然后才能繼續往前進行下一步。下用是用ZooKeeper來實現屏障的基本步驟：

• Client在ZooKeeper上創建屏障結點/barrier/my_barrier，并啟動執行各個任務的進程
• Client通過exist()來Watch /barrier/my_barrier結點
• 每個任務進程在完成任務后，去檢查是否達到指定的條件，如果沒達到就啥也不做，如果達到了就把/barrier/my_barrier結點刪除
• Client收到/barrier/my_barrier被刪除的通知，屏障消失，繼續下一步任務

8. 雙屏障(Double Barrier)
雙屏障是這樣一種語義: 它可以用來同步一個任務的開始和結束，當有足夠多的進程進入屏障后，才開始執行任務；當所有的進程都執行完各自的任務后，屏障才撤銷。下面是用ZooKeeper來實現雙屏障的基本步驟：

• 進入屏障：
• Client Watch /barrier/ready結點, 通過判斷該結點是否存在來決定是否啟動任務
• 每個任務進程進入屏障時創建一個臨時結點/barrier/process/${process_id}，然后檢查進入屏障的結點數是否達到指定的值，如果達到了指定的值，就創建一個/barrier/ready結點，否則繼續等待
• Client收到/barrier/ready創建的通知，就啟動任務執行過程

• 離開屏障：
• Client Watch /barrier/process，如果其沒有子結點，就可以認為任務執行結束，可以離開屏障

• 每個任務進程執行任務結束后，都需要刪除自己對應的結點/barrier/process/${process_id}

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