分布式框架Zookeeper(一)--Zookeeper的安装、特性、结点数据类型、内存数据持久化-易微帮

Zookeeper

分布式系统
通常情况下，单个物理节点很容易达到性能，计算或者容量的瓶颈，所以这个时候就需要多个物理节点来共同完成某项任务，一个分布式系统的本质是分布在不同网络或计算机上的程序组件，彼此通过信息传递来协同工作的系统，而Zookeeper正是一个分布式应用协调框架，在分布式系统架构中有广泛的应用场景。

什么是Zookeeper？

它是一个分布式协调框架，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。
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Zookeeper 核心概念

暂时可以理解为 Zookeeper 是一个用于存储少量数据的基于内存的数据库，有两个核心的概念：文件系统数据结构+监听通知机制。

文件系统数据结构

Zookeeper维护一个类似文件系统的数据结构：
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每个子目录项都被称作为 znode(目录节点)，和文件系统类似，我们能够自由的增加、删除 znode，在一个znode下增加、删除子znode。
有四种类型的znode:

持久化目录结点-PERSISTENT
客户端与Zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只要不手动删除该节点，他将一直存在
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，只是给Zookeeper给该节点名称进行顺序编号；
EPHEMERAL-临时目录节点
客户端与Zookeeper断开连接后，该节点被删除
EPHEMERAL_SEQUENTIAL- 临时目录编号目录节点
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
Container结点
如果Container节点下面没有自己诶单，则未来会被Zookeeper自动清除、定时任务默认60秒检查一次
TTL节点
( 默认禁用，只能通过系统配置zookeeper.extendedTypesEnabled=true 开启，不稳定）

如图：
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监听通知机制

客户端可以注册监听他关心的任意节点、或者目录节点以及递归子目录节点
1. 如果注册的是对某个结点的监听、则当这个结点被删除或者被修改时，对应的客户端将被通知；
2. 如果注册的是对某个目录的监听，则当这个目录有子节点被创建，或者有子节点被删除，对应客户端被通知；
3. 如果注册的是某个目录的递归子节点进行监听，则当这个目录下面任意子节点有目录结构变化（有子节点被创建，删除）或者根节点有数据变化时，对应的客户端将会被通知；

所有的通知都是一次性的，无论是对接点还是对目录监听，一旦触发，对应的监听事件会被溢出。递归子节点，监听是对所有子节点的，所以，每个子节点下面的事件同样只会被触发一次

Zookeeper应用场景

分布式配置中心
分布式注册中心
分布式锁
集群选举
分布式队列
发布/订阅（生产消费者模型）

安装

Linux安装Zookeeper

配置JAVA环境、检查环境（没有自己去装）

java ‐version

下载解压Zookeeper

wget https://mirror.bit.edu.cn/apache/zookeeper/zookeeper‐3.5.8/apache‐zookeepe r‐3.5.8‐bin.tar.gz
tar ‐zxvf apache‐zookeeper‐3.5.8‐bin.tar.gz
cd apache‐zookeeper‐3.5.8‐bin

重命名配置文件：zoo_sample.cfg

 cp zoo_sample.cfg zoo.cfg

启动Zookeeper

bin/zkServer.sh start conf/zoo.cfg

检查是否启动成功

echo stat | nc 192.168.109.200（换成你自己的IP地址）

连接服务器

 bin/zkCli.sh ‐server ip:port

Window安装Zookeeper

官网下载压缩文件
http://zookeeper.apache.org/releases.html
解压缩到本地
进入conf目录下、拷贝复制配置文件zoo_sample.cfg，并重命名为zoo.cfg
修改配置文件zoo.cfg,修改数据文件目录（换成本地的）

dataDir=E:/java_springboot/Java_Zookeeper/data

进入bin目录下，点击zkServer.cmd、运行Zookeeper服务端

看到这几行，就算启动成功了。
点击运行zkCli.cmd，运行Zookeeper客户端

看到这几行就算启动成功了。

Zookeeper功能命令

输入help，获取所有的命令

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] help
  addauth scheme auth
        close
        config [-c] [-w] [-s]
        connect host:port
        create [-s] [-e] [-c] [-t ttl] path [data] [acl]
        delete [-v version] path
        deleteall path
        delquota [-n|-b] path
        get [-s] [-w] path
        getAcl [-s] path
        history
        listquota path
        ls [-s] [-w] [-R] path
        ls2 path [watch]
        printwatches on|off
        quit
        reconfig [-s] [-v version] [[-file path] | [-members serverID=host:port1:port2;port3[,...]*]] | [-add serverId=host:port1:port2;port3[,...]]* [-remove serverId[,...]*]
        redo cmdno
        removewatches path [-c|-d|-a] [-l]
        rmr path
        set [-s] [-v version] path data
        setAcl [-s] [-v version] [-R] path acl
        setquota -n|-b val path
        stat [-w] path

创建Zookeeper节点命令

create [‐s] [‐e] [‐c] [‐t ttl] path [data] [acl]

中括号为可选项，没有则默认创建持久化节点
-s : 顺序节点
-e:临时结点
-c:容器节点
-t:给节点添加过期时间，默认禁用，需要通过系统参数启动
（-Dzookeeper.extendedTypesEnabled=true, znode.container.checkIntervalMs : (Java system property only) New in 3.5.1: The time interval in milliseconds for each check of candidate container and ttl nodes. Default is “60000”.)

创建结点

create /test-node somedata

没有加任何可选参数，创建的就是持久化节点
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查看节点

get /test‐node

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修改节点数据

set /test‐node some‐data‐changed

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查看节点状态信息

 stat /test‐node

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cZxid: 创建znode的事务ID
mZxid:最后修改znode的事务ID
pZxid：最后添加或者删除子节点的事务ID（子节点列表发生变化才发生改变）
ctime:创建时间
mtime:znode最近修改时间
dataVersion：znode的当前数据版本
cversion:znode的子节点结果版本
aclVersion：表示对此znode的acl版本。
ephemeralOwner：znode是临时znode时，表示znode所有者的 session ID。如果 znode不是临时znode，则该字段设置为零
dataLength：znode数据字段的长度。
numChildren：znode的子znode的数量

查看结点状态信息同时查看数据

get -s /XXX

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根据状态版本号并发修改数据实现乐观锁功能

test-node 当前的数据版本是 1 ，这时客户端用 set 命令修改数据的时候可以把版本号带上

如果在执行上面 set命令前，有人修改了数据，zookeeper 会递增版本号，这个时候，如果再用以前的版本号去修改，将会导致修改失败，报如下错误

开启另一个客户端修改数据、使版本发生改变；
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用原来的客户端修改数据、修改失败

创建子节点
这里要注意，zookeeper是以节点组织数据的，没有相对路径这么一说，所以，所有的节点一定是以 / 开头

create /test‐node/test‐sub‐node

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查看子节点信息，比如根节点下面的所有子节点，加一个大写 R 可以查看递归子节点列表

创建临时节点

create ‐e /ephemeral data

create 后跟一个 -e 创建临时节点， **临时节点不能创建子节点
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创建序号节点，加参数 -s

create /seq‐parent data // 创建父目录，单纯为了分类，非必须
create ‐s /seq‐parent/ data // 创建顺序节点。顺序节点将再seq‐parent 目录下面，顺序 递增

为了容纳子节点，先创建个父目录 /seq-parent
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也可以再序号节点前面带一个前缀

上面创建时持久性序号节点、下面是临时序号节点；

创建临时顺序节点：其他crud操作和其他节点无差别。
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创建容器节点

 create ‐c /container

容器节点主要用来容纳字节点，如果没有给其创建子节点，容器节点表现和持久化节点一样，如果给容器节点创建了子节点，后续又把子节点清空，容器节点也会被zookeeper删除。

时间监听机制

针对节点的监听：一定事件触发，对应的注册立刻被移除，所以事件监听是一次性的

get ‐w /path // 注册监听的同时获取数据 
stat ‐w /path // 对节点进行监听，且获取元数据信息

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针对目录的监听，如下图，目录的变化，会触发事件，且一旦触发，对应的监听也会被移除，后续对节点的创建没有触发监听事件

ls ‐w /path

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针对递归子目录的监听

ls ‐R ‐w /path ： ‐R 区分大小写，一定用大写

如下对/test 节点进行递归监听，但是每个目录下的目录监听也是一次性的，如第一次在/test 目录下创建节点时，触发监听事件，第二次则没有，同样，因为时递归的目录监听，所以在/test/sub0下进行节点创建时，触发事件，但是再次创建/test/sub0/subsub1节点时，没有触发事件。
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Zookeeper监听事件类型

None ：连接建立事件
NodeCreated：节点创建
NodeDeleted：节点删除
NodeDataChanged:节点数据发生变化
NodeChildrenChanged:子节点列表发生变化
DataWatchRemoved: 节点监听被移除
ChildWatchRemoved：子节点监听被移除

Zookeeper 的 ACL 权限控制

Zookeeper 的ACL 权限控制,可以控制节点的读写操作,保证数据的安全性，Zookeeper ACL 权限设置分为 3 部分组成，分别是：权限模式（Scheme）、授权对象（ID）、权限信息 （Permission）。最终组成一条例如“scheme: id :permission”格式的 ACL 请求信息。

Scheme（权限模式）

用来设置 ZooKeeper 服务器进行权限验证的方式。分为两种类型：

范围验证
说ZooKeeper 可以针对一个 IP 或者一段 IP 地址授予某种权限。比如我们可以让一个 IP 地址为“ip：192.168.0.110”的机器对服务器上的某个数据节点具有写入的权限。或者也可以通过“ip:192.168.0.1/24”给一段 IP 地址的机器赋权。
口令验证
以理解为用户名密码的方式。在 ZooKeeper 中这种验证方式是 Digest 认证，而 Digest 这种认证方式首先在客户端传送“username:password”这种形式的权限表示符后，ZooKeeper 服务端会对密码部分使用 SHA-1 和 BASE64 算法进行加密，以保证安全性。
还有一种Super权限模式, Super可以认为是一种特殊的 Digest 认证。具有 Super 权限的客户端可以对 ZooKeeper 上的任意数据节点进行任意操作。

授权对象（ID）

授权对象就是说我们要把权限赋予谁，而对应于 4 种不同的权限模式来说，如果我们选择采用 IP 方式，使用的授权对象可以是一个 IP 地址或 IP 地址段；而如果使用 Digest 或 Super 方式，则对应于一个用户名。如果是 World 模式，是授权系统中所有的用户。

权限信息（Permission）

权限就是指我们可以在数据节点上执行的操作种类；权限有 5 种：

数据节点（c: create）创建权限，授予权限的对象可以在数据节点下创建子节点；
数据节点（w: wirte）更新权限，授予权限的对象可以更新该数据节点；
数据节点（r: read）读取权限，授予权限的对象可以读取该节点的内容以及子节点的列表信息；
数据节点（d: delete）删除权限，授予权限的对象可以删除该数据节点的子节点
数据节点（a: admin）管理者权限，授予权限的对象可以对该数据节点体进行 ACL 权限设置。

ZooKeeper 内存数据和持久化

Zookeeper数据的组织形式为一个类似文件系统的数据结构，而这些数据都是存储在内存中的，所以我们可以认为，Zookeeper是一个基于内存的小型数据库

内存中的数据

public class DataTree{
//存储我们的节点信息；一开始只有一个Zookeeper节点。
private final ConcurrentHashMap<String,DataNode> nodes=new ConcurrentHashMap<String,DataNode>();

private final WatchManager dataWatches = new WatchManager();
private final WatchManager childWatches = new WatchManager();
}

DataNode

public class DataNode implements Record{
byte data[]; //用来存储我们的数据
Long acl;
public StatPersisted stat;
private Set<String> children=null;
}

事务日志

针对每一次客户端的事务操作，Zookeeper都会将他们记录到事务日志中，当然，Zookeeper也会将数据变更应用到内存数据库中。
我们可以在zookeeper的主配置文件zoo.cfg 中配置内存中的数据持久化目录，也就是事务日志的存储路径 dataLogDir. 如果没有配置dataLogDir（非必填）, 事务日志将存储到dataDir （必填项）目录，
zookeeper提供了格式化工具可以进行数据查看事务日志数据
org.apache.zookeeper.server.LogFormatter

java ‐classpath .:slf4j‐api‐1.7.25.jar:zookeeper‐3.5.8.jar:zookeeper‐jute‐ 3.5.8.jar org.apache.zookeeper.server.LogFormatter /usr/local/zookeeper/apache‐zo okeeper‐3.5.8‐bin/data/version‐2/log.1

如下是我本地的日志文件格式化效果

从左到右分别记录了操作时间，客户端会话ID，CXID,ZXID,操作类型，节点路径，节点数据（用 #+ascii 码表示），节点版本。
Zookeeper进行事务日志文件操作的时候会频繁进行磁盘IO操作，事务日志的不断追加写操作会触发底层磁盘IO为文件开辟新的磁盘块，即磁盘Seek。
因此，为了提升磁盘IO的效率， Zookeeper在创建事务日志文件的时候就进行文件空间的预分配- 即在创建文件的时候，就向操作系统申请一块大一点的磁盘块。
这个预分配的磁盘大小可以通过系统参数zookeeper.preAllocSize 进行配置。
事务日志文件名为： log.<当时最大事务ID>，应为日志文件时顺序写入的，所以这个最大事务 ID也将是整个事务日志文件中，最小的事务ID，日志满了即进行下一次事务日志文件的创建

数据快照

用于记录Zookeeper服务器上某一刻的全量数据，并将其写入到指定的磁盘文件中。可以通过snapCount配置每间隔事务请求个数，生成快照，数据存储在dataDir指定的目录中。
为了避免集群中所有机器在同一时间进行快照，实际的快照生成时机为事务数达到 [snapCount/2 + 随机数(随机数范围为1 ~ snapCount/2 )] 个数时始快照。

java ‐classpath .:slf4j‐api‐1.7.25.jar:zookeeper‐3.5.8.jar:zookeeper‐jute‐ 3.5.8.jar org.apache.zookeeper.server.SnapshotFormatter /usr/local/zookeeper/apac he‐zookeeper‐3.5.8‐bin/data‐dir/version‐2/snapshot.0