【分布式系统中的“瑞士军刀”_ Zookeeper】一、Zookeeper 快速入门和核心概念

在分布式系统的复杂世界里，协调与同步是确保系统稳定运行的关键所在。Zookeeper 作为分布式协调服务的 “瑞士军刀”，为众多分布式项目提供了高效、可靠的协调解决方案。无论是在分布式锁的实现、配置管理，还是在服务注册与发现等场景中，Zookeeper 都发挥着不可或缺的作用。

一、Zookeeper 的安装与配置

1.1 环境准备

在 CentOS 7 系统中安装 Zookeeper，首先需要确保系统中已安装 Java 运行环境（JRE），因为 Zookeeper 是基于 Java 开发的。可以通过以下命令检查 Java 是否已安装：

java -version

如果系统提示 “command not found”，则需要安装 Java。这里以安装 OpenJDK 为例，执行以下命令进行安装：

sudo yum install -y java-1.8.0-openjdk

安装完成后，再次执行上述 java -version命令，应能看到 Java 的版本信息，表明 Java 安装成功。

1.2 下载与解压 Zookeeper

访问 Apache Zookeeper 的官方下载页面（Index of /dist/zookeeper），选择合适的版本进行下载。这里以 Zookeeper 3.8.0 版本为例，在 CentOS 7 系统中打开终端，执行以下命令下载 Zookeeper 安装包：

wget https://archive.apache.org/dist/zookeeper/zookeeper-3.8.0/apache-zookeeper-3.8.0-bin.tar.gz

下载完成后，使用以下命令解压安装包：

tar -zxvf apache-zookeeper-3.8.0-bin.tar.gz

解压后会得到一个名为apache-zookeeper-3.8.0-bin的目录，将其移动到合适的位置，例如/usr/local/目录下：

sudo mv apache-zookeeper-3.8.0-bin /usr/local/zookeeper

1.3 配置文件修改

进入 Zookeeper 的配置目录：

cd /usr/local/zookeeper/conf

Zookeeper 的主要配置文件是zoo.cfg，该文件默认没有示例文件，需要将zoo_sample.cfg复制一份并重命名为zoo.cfg：

cp zoo_sample.cfg zoo.cfg

使用文本编辑器（如vi或nano）打开zoo.cfg文件进行配置修改：

vi zoo.cfg

以下是zoo.cfg文件中一些重要配置项的说明和修改示例：

tickTime：Zookeeper 中最小时间单元，以毫秒为单位。它用于控制心跳、选举等操作的时间间隔。默认值为 2000 毫秒，一般无需修改：

tickTime=2000

dataDir：Zookeeper 存储数据的目录，包括事务日志和快照数据。需要指定一个存在且有写入权限的目录，这里设置为/var/lib/zookeeper：

dataDir=/var/lib/zookeeper

创建该目录并设置权限：

sudo mkdir -p /var/lib/zookeeper
sudo chown -R $(whoami):$(whoami) /var/lib/zookeeper

clientPort：Zookeeper 服务器监听客户端连接的端口，默认值为 2181。如果没有端口冲突，一般保持默认即可：

clientPort=2181

initLimit：Follower 与 Leader 建立连接时，Leader 等待 Follower 完成初始同步的最大心跳数。默认值为 10，根据实际情况可适当调整：

initLimit=10

syncLimit：Follower 与 Leader 进行数据同步时，Leader 等待 Follower 同步完成的最大心跳数。默认值为 5，同样可根据实际情况调整：

syncLimit=5

配置完成后，保存并退出zoo.cfg文件。

二、Zookeeper 核心概念解析

2.1 ZNode（节点）

ZNode 是 Zookeeper 数据模型的基础，类似于文件系统中的文件和目录。在 Zookeeper 中，所有数据都存储在树形结构的 ZNode 节点中。每个 ZNode 节点都有一个唯一的路径标识，例如/myapp/config。

ZNode 节点可以存储数据，数据大小有限制，一般不超过 1MB（具体限制可参考 Zookeeper 的配置）。同时，ZNode 节点有不同的类型，主要包括：

持久节点（Persistent）：一旦创建，除非主动删除，否则一直存在于 Zookeeper 中。常用于存储固定的配置信息等。

临时节点（Ephemeral）：与客户端会话绑定，当客户端会话结束（如连接断开），对应的临时节点会自动删除。常用于标识临时的任务或状态，例如在分布式任务调度中，工作节点可以创建临时节点来表示自己正在执行任务。

顺序节点（Sequential）：无论是持久节点还是临时节点，都可以设置为顺序节点。顺序节点在创建时，Zookeeper 会自动为其路径添加一个递增的序号。例如，在创建/myapp/task-的顺序节点时，可能会生成/myapp/task-0000000001这样的节点路径。顺序节点常用于实现分布式锁、选举等功能。

可以使用 Zookeeper 的命令行工具来操作 ZNode 节点。启动 Zookeeper 服务：

/usr/local/zookeeper/bin/zkServer.sh start

然后使用以下命令连接到 Zookeeper 服务器：

/usr/local/zookeeper/bin/zkCli.sh -server localhost:2181

连接成功后，可以使用以下命令进行 ZNode 节点的操作：

创建节点：创建一个持久节点/test，并存储数据hello world：

create /test "hello world"

创建一个临时节点：/test/ephemeral：

create -e /test/ephemeral "temp data"

创建一个顺序节点：/test/sequential-：

create -s /test/sequential- "seq data"

查看节点：查看/test节点的数据：

get /test

查看/test节点下的子节点：

ls /test

删除节点：删除/test/ephemeral节点：

delete /test/ephemeral

删除/test节点及其所有子节点（如果/test节点有子节点，普通delete命令会报错，需要使用rmr命令）：

rmr /test

2.2 Session（会话）

Session 是客户端与 Zookeeper 服务器之间建立的连接会话。当客户端启动并连接到 Zookeeper 服务器时，会创建一个唯一的会话 ID。会话有一个超时时间，在超时时间内，如果客户端与服务器之间没有任何交互（如发送请求、接收响应等），则会话会过期，与之关联的临时节点也会被删除。

在zoo.cfg文件中，可以通过sessionTimeout参数来设置会话超时时间（单位为毫秒），默认值为tickTime的 2 倍到 20 倍之间。例如，设置会话超时时间为 6000 毫秒：

1、# 虽然配置文件中没有直接的sessionTimeout配置项，但可通过以下方式间接设置

2、# 这里假设tickTime=2000，实际超时时间会在4000 - 40000毫秒之间，可通过客户端参数调整

3、# 客户端连接时可使用 -sessionTimeout 参数指定具体超时时间，如：

4、# zkCli.sh -server localhost:2181 -sessionTimeout 6000

当客户端与 Zookeeper 服务器建立会话后，可以通过一些操作来保持会话的活性，例如定期发送心跳请求。在 Zookeeper 的 Java 客户端中，会自动处理会话的心跳和重连逻辑，以保证会话的稳定性。

2.3 Watcher（监听器）

Watcher 是 Zookeeper 提供的一种事件通知机制。客户端可以为指定的 ZNode 节点设置监听器，当该节点的数据发生变化（如数据更新、节点删除）或子节点发生变化（如子节点创建、删除）时，Zookeeper 会向注册了该节点监听器的客户端发送通知。

在命令行工具中，可以通过get和ls命令设置监听器。例如，为/test节点设置数据变化监听器：

get /test watch

此时，如果其他客户端对/test节点的数据进行修改：

set /test "new data"

设置监听器的客户端会收到类似以下的通知：

WATCHER::

WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeDataChanged path:/test

在 Java 客户端中，通过实现Watcher接口来处理事件通知。以下是一个简单的 Java 代码示例，展示如何设置监听器并处理事件：

import org.apache.zookeeper.KeeperException;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;

import java.io.IOException;

public class ZookeeperWatcherExample {
    private static final String ZOOKEEPER_SERVER = "localhost:2181";
    private static final String NODE_PATH = "/test";

    public static void main(String[] args) throws IOException, KeeperException, InterruptedException {
        ZooKeeper zk = new ZooKeeper(ZOOKEEPER_SERVER, 5000, new Watcher() {
            @Override
            public void process(WatchedEvent event) {
                if (event.getType() == Event.EventType.NodeDataChanged && event.getPath().equals(NODE_PATH)) {
                    try {
                        byte[] data = zk.getData(NODE_PATH, true, null);
                        System.out.println("Node data changed, new data: " + new String(data));
                    } catch (KeeperException | InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });

        // 读取节点数据并设置监听器
        zk.getData(NODE_PATH, true, null);

        // 保持程序运行，以便接收事件通知
        Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
    }
}

2.4 Leader - Follower 模式

Zookeeper 集群采用 Leader - Follower 模式来保证数据的一致性和系统的高可用性。在集群中，节点分为 Leader 和 Follower 两种角色：

Leader：负责处理所有的写请求，并将数据变更同步到 Follower 节点。同时，Leader 还负责协调元数据操作，如选举过程的管理等。

Follower：主要负责处理读请求，并从 Leader 节点同步数据，以保持与 Leader 节点的数据一致性。

当 Zookeeper 集群启动或 Leader 节点出现故障时，会触发选举机制来选出新的 Leader。选举过程基于 Zookeeper 的 ZXID（事务 ID）和节点 ID 等因素，确保选出的 Leader 是具有最新数据的节点。

可以通过以下命令查看 Zookeeper 节点的角色状态：

/usr/local/zookeeper/bin/zkServer.sh status

在正常运行的集群中，会显示某个节点为Leader，其他节点为Follower：

Mode: leader  # 或 Mode: follower