分布式设计与开发（三）------高一致性服务ZooKeeper

分布式环境中大多数服务是允许部分失败，也允许数据不一致，但有些最基础的服务是需要高可靠性，高一致性的，这些服务是其他分布式服务运转的基础，比如naming service、分布式lock等，这些分布式的基础服务有以下要求：

• 高可用性
• 高一致性
• 高性能

对于这种有些挑战CAP原则 的服务该如何设计，是一个挑战，也是一个不错的研究课题，Apache的ZooKeeper也许给了我们一个不错的答案。ZooKeeper是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务， 它暴露了一个简单的原语集，分布式应用程序可以基于它实现同步服务，配置维护和命名服务等。关于ZooKeeper更多信息可以参见 官方文档

ZooKeeper的基本使用

搭一个分布式的ZooKeeper环境比较简单，基本步骤如下：

1）在各服务器安装 ZooKeeper

下载ZooKeeper后在各服务器上进行解压即可

tar -xzfzookeeper-3.2.2.tar.gz

2）配置集群环境

分别各服务器的zookeeper安装目录下创建名为zoo.cfg的配置文件，内容填写如下：

# The number of milliseconds of each tick
tickTime=2000
# The number of ticks that the initial
# synchronization phase can take
initLimit=10
# The number of ticks that can pass between
# sending a request and getting an acknowledgement
syncLimit=5
# the directory where the snapshot is stored.
dataDir=/home/admin/zookeeper-3.2.2/data
# the port at which the clients will connect
clientPort=2181
server.1=zoo1:2888:3888
server.2=zoo2:2888:3888

其中zoo1和zoo2分别对应集群中各服务器的机器名或ip，server.1和server.2中1和2分别对应各服务器的zookeeper id，id的设置方法为在dataDir配置的目录下创建名为myid的文件，并把id作为其文件内容即可，在本例中就分为设置为1和2。其他配置具体含义可见官方文档。

3）启动集群环境

分别在各服务器下运行zookeeper启动脚本

/home/admin/zookeeper-3.2.2/bin/zkServer.sh start

4）应用zookeeper

应用zookeeper可以在是shell中执行命令，也可以在java或c中调用程序接口。

在shell中执行命令，可运行以下命令：

bin/zkCli.sh -server 10.20.147.35:2181

其中 10.20.147.35为集群中任一台机器的ip或机器名。执行后可进入zookeeper的操作面板，具体如何操作可见官方文档

在java中通过调用程序接口来应用zookeeper较为复杂一点，需要了解watch和callback等概念，不过试验最简单的CURD倒不需要这些，只需要使用ZooKeeper这个类即可，具体测试代码如下：

public static void main(String[] args) {
	try {
		ZooKeeper zk = new ZooKeeper("10.20.147.35:2181", 30000, null);
		String name = zk.create("/company", "alibaba".getBytes(),
                Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL);
		Stat stat = new Stat();
		System.out.println(new String(zk.getData(name, null, stat)));
		zk.setData(name, "taobao".getBytes(), stat.getVersion(), null, null);
		System.out.println(new String(zk.getData(name, null, stat)));
		stat = zk.exists(name, null);
        zk.delete(name, stat.getVersion(), null, null);
        System.out.println(new String(zk.getData(name, null, stat)));
	} catch (Exception e) {
		e.printStackTrace();
	}
}

以上代码比较简单，查看一下zooKeeper的api doc就知道如何使用了

ZooKeeper的实现机理

ZooKeeper的实现机理是我看过的开源框架中最复杂的，它的解决是分布式环境中的一致性问题，这个场景也决定了其实现的复杂性。看了两三天的源码还是有些摸不着头脑，有些超出了我的能力，不过通过看文档和其他高人写的文章大致清楚它的原理和基本结构。

1）ZooKeeper的基本原理

ZooKeeper是以Fast Paxos算法为基础的，在前一篇 blog 中大致介绍了一下paxos，而没有提到的是paxos存在活锁的问题，也就是当有多个 proposer交错提交时，有可能互相排斥导致没有一个proposer能提交成功，而Fast Paxos作了一些优化，通过选举产生一个leader，只有leader才能提交propose，具体算法可见Fast Paxos 。因此，要想弄得ZooKeeper首先得对Fast Paxos有所了解。

2）ZooKeeper的基本运转流程

ZooKeeper主要存在以下两个流程：

• 选举Leader
• 同步数据

选举Leader过程中算法有很多，但要达到的选举标准是一致的：

• Leader要具有最高的zxid
• 集群中大多数的机器得到响应并follow选出的Leader

同步数据这个流程是ZooKeeper的精髓所在，并且就是Fast Paxos算法的具体实现。一个牛人画了一个ZooKeeper数据流动图，比较直观地描述了ZooKeeper是如何同步数据的。

以上两个核心流程我暂时还不能悟透其中的精髓，这也和我还没有完全理解Fast Paxos算法有关，有待后续深入学习

ZooKeeper的应用领域

Tim在blog中提到了Paxos所能应用的几个主要场景，包括database replication、naming service、config配置管理、access control list等等，这也是ZooKeeper可以应用的几个主要场景。此外， ZooKeeper官方文档中提到了几个更为基础的分布式应用，这也算是ZooKeeper的妙用吧

1）分布式Barrier

Barrier是一种控制和协调多个任务触发次序的机制，简单说来就是搞个闸门把欲执行的任务给拦住，等所有任务都处于可以执行的状态时，才放开闸门。它的机理可以见下图所示：

在单机上JDK提供了CyclicBarrier这个类来实现这个机制，但在分布式环境中JDK就无能为力了。在分布式里实现Barrer需要高一致性做保障，因此 ZooKeeper可以派上用场，所采取的方案就是用一个Node作为Barrer的实体，需要被Barrer的任务通过调用exists()检测这个Node的存在，当需要打开Barrier的时候，删掉这个Node，ZooKeeper的watch机制会通知到各个任务可以开始执行。

2） 分布式 Queue

与 Barrier类似 分布式环境中 实现Queue也需要高一致性做保障， ZooKeeper提供了一个种简单的方式， ZooKeeper通过一个Node来维护Queue的实体，用其children来存储Queue的内容，并且 ZooKeeper的create方法中提供了顺序递增的模式，会自动地在name后面加上一个递增的数字来插入新元素。可以用其 children来构建一个queue的数据结构，offer的时候使用create，take的时候按照children的顺序删除第一个即可。 ZooKeeper保障了各个server上数据是一致的，因此也就实现了一个 分布式 Queue。take和offer的实例代码如下所示：

/**
 * Removes the head of the queue and returns it, blocks until it succeeds.
 * @return The former head of the queue
 * @throws NoSuchElementException
 * @throws KeeperException
 * @throws InterruptedException
 */
public byte[] take() throws KeeperException, InterruptedException {
    TreeMap<Long,String> orderedChildren;
    // Same as for element.  Should refactor this.
    while(true){
        LatchChildWatcher childWatcher = new LatchChildWatcher();
        try{
            orderedChildren = orderedChildren(childWatcher);
        }catch(KeeperException.NoNodeException e){
            zookeeper.create(dir, new byte[0], acl, CreateMode.PERSISTENT);
            continue;
        }
        if(orderedChildren.size() == 0){
            childWatcher.await();
            continue;
        }
        for(String headNode : orderedChildren.values()){
            String path = dir +"/"+headNode;
            try{
                byte[] data = zookeeper.getData(path, false, null);
                zookeeper.delete(path, -1);
                return data;
            }catch(KeeperException.NoNodeException e){
                // Another client deleted the node first.
            }
        }
    }
}
/**
 * Inserts data into queue.
 * @param data
 * @return true if data was successfully added
 */
public boolean offer(byte[] data) throws KeeperException, InterruptedException{
    for(;;){
        try{
            zookeeper.create(dir+"/"+prefix, data, acl, CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL);
            return true;
        }catch(KeeperException.NoNodeException e){
            zookeeper.create(dir, new byte[0], acl, CreateMode.PERSISTENT);
        }
    }
}

3）分布式lock

利用 ZooKeeper实现 分布式lock，主要是通过一个Node来代表一个Lock，当一个client去拿锁的时候，会在这个Node下创建一个自增序列的child，然后通过getChildren()方式来check创建的child是不是最靠前的，如果是则拿到锁，否则就调用exist()来check第二靠前的child，并加上watch来监视。当拿到锁的child执行完后归还锁，归还锁仅仅需要删除自己创建的child，这时watch机制会通知到所有没有拿到锁的client，这些child就会根据前面所讲的拿锁规则来竞争锁。