1 Zookeeper提供了什么
2 我们能用Zookeeper做什么
3 Zookeeper的基本概念
4 ZooKeeper的工作原理
5 Zookeeper工作流程
6 参考文献
Zookeeper分布式服务框架是Apache Hadoop的一个子项目，它主要是用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题。如：统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理等。
我们先看看它都提供了哪些功能，然后再看看使用它的这些功能能做点什么。
1 zookeeper提供了什么
简单的说，zookeeper=文件系统+通知机制。
（1）文件系统
Zookeeper维护一个类似文件系统的数据结构：
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每个子目录项如 NameService 都被称作为 znode，和文件系统一样，我们能够自由的增加、删除znode，在一个znode下增加、删除子znode，唯一的不同在于znode是可以存储数据的。
（2）通知机制
客户端注册监听它关心的目录节点，当目录节点发生变化（数据改变、被删除、子目录节点增加删除）时，zookeeper会通知客户端。
2 我们能用zookeeper做什么
（1） 命名服务
这个似乎最简单，在zookeeper的文件系统里创建一个目录，即有唯一的path。在我们使用tborg无法确定上游程序的部署机器时即可与下游程序约定好path，通过path即能互相探索发现，不见不散了。
（2）配置管理
程序总是需要配置的，如果程序分散部署在多台机器上，要逐个改变配置就变得困难。
可以把这些配置全部放到zookeeper上去，保存在 Zookeeper 的某个目录节点中，然后所有相关应用程序对这个目录节点进行监听，一旦配置信息发生变化，每个应用程序就会收到 Zookeeper 的通知，然后从 Zookeeper 获取新的配置信息应用到系统中就好。
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（3）集群管理
集群管理无在乎两点：是否有机器退出和加入、选举master。
对于第一点，所有机器约定在父目录GroupMembers下创建临时目录节点，然后监听父目录节点的子节点变化消息。一旦有机器挂掉，该机器与 zookeeper的连接断开，其所创建的临时目录节点被删除，所有其他机器都收到通知：某个兄弟目录被删除，于是，所有人都知道：它下船了。当然又会有新机器加入，也是类似：所有机器收到通知---新兄弟目录加入，highcount又有了，有人上船了。
对于第二点，我们假设机器创建临时顺序编号目录节点，每次选取编号最小的机器作为master就好。
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下面两种我暂时没用到，仅作了解。
（4） 分布式锁
有了zookeeper的一致性文件系统，锁的问题变得容易。锁服务可以分为两类，一个是保持独占，另一个是控制时序。
对于第一类，我们将zookeeper上的一个znode看作是一把锁，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即拥有了这把锁。厕所有言：来也冲冲，去也冲冲，用完删除掉自己创建的distribute_lock 节点就释放出锁。
对于第二类， /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master一样，编号最小的获得锁，用完删除，依次方便。
（5）队列管理
两种类型的队列：
1、 同步队列，当一个队列的成员都聚齐时，这个队列才可用，否则一直等待所有成员到达。
2、队列按照 FIFO 方式进行入队和出队操作。
第一类，在约定目录下创建临时目录节点，监听节点数目是否是我们要求的数目。
第二类，和分布式锁服务中的控制时序场景基本原理一致，入列有编号，出列按编号。
3 Zookeeper的基本概念
（1）角色
Zookeeper中的角色主要有以下三类：
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系统模型如图所示：
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（2）设计目的
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最终一致性：client不论连接到哪个Server，展示给它都是同一个视图，这是zookeeper最重要的性能。
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可靠性：具有简单、健壮、良好的性能，如果消息m被到一台服务器接受，那么它将被所有的服务器接受。
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实时性：Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新信息，或者服务器失效的信息。但由于网络延时等原因，Zookeeper不能保证两个客户端能同时得到刚更新的数据，如果需要最新数据，应该在读数据之前调用sync()接口。
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等待无关（wait-free）：慢的或者失效的client不得干预快速的client的请求，使得每个client都能有效的等待。
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原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。
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顺序性：包括全局有序和偏序两种：全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布，则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布；偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布，a必将排在b前面。
4 ZooKeeper的工作原理
Zookeeper的核心是原子广播，这个机制保证了各个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，它们分 别是恢复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者在领导者崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，且大多数Server完成了和 leader的状态同步以后，恢复模式就结束了。状态同步保证了leader和Server具有相同的系统状态。
为了保证事务的顺序一致性，zookeeper采用了递增的事务id号（zxid）来标识事务。所有的提议（proposal）都在被提出的时候加上 了zxid。实现中zxid是一个64位的数字，它高32位是epoch用来标识leader关系是否改变，每次一个leader被选出来，它都会有一个 新的epoch，标识当前属于那个leader的统治时期。低32位用于递增计数。
每个Server在工作过程中有三种状态：
- LOOKING：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻；
- LEADING：当前Server即为选举出来的leader；
- FOLLOWING：leader已经选举出来，当前Server与之同步；
（1）选主流程
当leader崩溃或者leader失去大多数的follower，这时候zk进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的leader，让所有的 Server都恢复到一个正确的状态。Zk的选举算法有两种：一种是基于basic paxos实现的，另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。先介绍basic paxos流程：
- 选举线程由当前Server发起选举的线程担任，其主要功能是对投票结果进行统计，并选出推荐的Server；
- 选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；
- 选举线程收到回复后，验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致)，然后获取对方的id(myid)，并存储到当前询问对象列表中，最后获取对方提议的leader相关信息( id,zxid)，并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中；
- 收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的那个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server；
- 线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader，如果此时获胜的Server获得n/2 + 1的Server票数， 设置当前推荐的leader为获胜的Server，将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态，否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。
通过流程分析我们可以得出：要使Leader获得多数Server的支持，则Server总数必须是奇数2n+1，且存活的Server的数目不得少于n+1.
（2）同步流程
选完leader以后，zk就进入状态同步过程。
- leader等待server连接；
- Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；
- Leader根据follower的zxid确定同步点；
- 完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；
-
Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。
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5 Zookeeper工作流程
（1）Leader工作流程
Leader主要有三个功能：
- 恢复数据；
- 维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；
- Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根据不同的消息类型，进行不同的处理。
PING消息是指Learner的心跳信息；REQUEST消息是Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求；ACK消息是 Follower的对提议的回复，超过半数的Follower通过，则commit该提议；REVALIDATE消息是用来延长SESSION有效时间。
Leader的工作流程简图如下所示，在实际实现中，流程要比下图复杂得多，启动了三个线程来实现功能。
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（2）Follower工作流程
Follower主要有四个功能：
- 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
- 接收Leader消息并进行处理；
- 接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；
- 返回Client结果。
Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：
- PING消息： 心跳消息；
- PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；
- COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；
- UPTODATE消息：表明同步完成；
- REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；
- SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。
Follower的工作流程简图如下所示，在实际实现中，Follower是通过5个线程来实现功能的。
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6 参考文献
https://blog.csdn.net/xinguan1267/article/details/38422149
https://blog.csdn.net/gs80140/article/details/51496925
https://www.2cto.com/kf/201708/668587.html
https://blog.csdn.net/milhua/article/details/78931672
P.S. 这篇文章是本人对网络上关于ZK的文章阅读之后整理所得，作为入门级的了解。个人觉得看了上面的内容就能基本了解Zookeeper的作用了，后面在结合实际项目使用加深自己的了解。
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