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ZooKeeper：分布式应用程序的分布式协调服务

ZooKeeper 是分布式应用程序的分布式开源协调服务。它公开了一组简单的原语，分布式应用程序可以基于这些原语来实现更高级别的同步、配置维护以及组和命名服务。它被设计为易于编程，并使用以熟悉的文件系统目录树结构为样式的数据模型。它在 Java 中运行，并具有 Java 和 C 的绑定。

众所周知，协调服务很难做好。它们特别容易出现诸如竞争条件和死锁之类的错误。ZooKeeper 背后的动机是减轻分布式应用程序从头开始实现协调服务的责任。

设计目标

ZooKeeper 很简单。 ZooKeeper 允许分布式进程通过共享的分层命名空间相互协调，该命名空间的组织类似于标准文件系统。命名空间由数据寄存器组成——在 ZooKeeper 中称为 znodes——这些类似于文件和目录。与典型的为存储而设计的文件系统不同，ZooKeeper 数据保存在内存中，这意味着 ZooKeeper 可以实现高吞吐量和低延迟。

ZooKeeper 实现非常重视高性能、高可用、严格有序的访问。ZooKeeper 的性能方面意味着它可以用于大型分布式系统。可靠性方面使其不会成为单点故障。严格的排序意味着可以在客户端实现复杂的同步原语。

**ZooKeeper 被复制。**就像它协调的分布式进程一样，ZooKeeper 本身旨在通过一组称为集合的主机进行复制。

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组成 ZooKeeper 服务的服务器必须相互了解。它们维护内存中的状态图像，以及持久存储中的事务日志和快照。只要大多数服务器可用，ZooKeeper 服务就可用。

客户端连接到单个 ZooKeeper 服务器。客户端维护一个 TCP 连接，通过它发送请求、获取响应、获取监视事件和发送心跳。如果与服务器的 TCP 连接中断，客户端将连接到不同的服务器。

**ZooKeeper 已订购。**ZooKeeper 用反映所有 ZooKeeper 事务顺序的数字标记每个更新。后续操作可以使用顺序来实现更高级别的抽象，例如同步原语。

**ZooKeeper 速度很快。**它在“读取主导”工作负载中特别快。ZooKeeper 应用程序在数千台机器上运行，它在读取比写入更常见的情况下表现最佳，比率约为 10:1。

数据模型和分层命名空间

ZooKeeper 提供的命名空间很像标准文件系统的命名空间。名称是由斜杠 (/) 分隔的一系列路径元素。ZooKeeper 命名空间中的每个节点都由路径标识。

ZooKeeper 的分层命名空间

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节点和临时节点

与标准文件系统不同，ZooKeeper 命名空间中的每个节点都可以拥有与其关联的数据以及子节点。这就像拥有一个允许文件也成为目录的文件系统。（ZooKeeper 旨在存储协调数据：状态信息、配置、位置信息等，因此每个节点存储的数据通常很小，在字节到千字节范围内。）我们使用术语znode来明确我们正在谈论 ZooKeeper 数据节点。

Znodes 维护一个统计结构，其中包括数据更改、ACL 更改和时间戳的版本号，以允许缓存验证和协调更新。每次 znode 的数据更改时，版本号都会增加。例如，每当客户端检索数据时，它也会收到数据的版本。

存储在命名空间中每个 znode 的数据是原子读写的。读取获取与 znode 关联的所有数据字节，写入替换所有数据。每个节点都有一个访问控制列表 (ACL)，它限制了谁可以做什么。

ZooKeeper 也有临时节点的概念。只要创建 znode 的会话处于活动状态，这些 znode 就存在。当会话结束时，znode 被删除。

有条件的更新和监视

动物园管理员支持的概念手表。客户端可以在 znode 上设置监视。当 znode 发生变化时，会触发并移除 watch。当 watch 被触发时，客户端会收到一个数据包，说 znode 已经改变了。如果客户端和 ZooKeeper 服务器之一之间的连接中断，客户端将收到本地通知。

**3.6.0 中的新功能：**客户端还可以在 znode 上设置永久的递归监视，在触发时不会删除这些监视，并且会以递归方式触发注册的 znode 以及任何子 znode 上的更改。

保证

ZooKeeper 非常快速且非常简单。但是，由于它的目标是成为构建更复杂服务（例如同步）的基础，因此它提供了一组保证。这些都是：

• 顺序一致性 - 来自客户端的更新将按发送顺序应用。
• 原子性 - 更新要么成功要么失败。没有部分结果。
• 单一系统映像 - 无论连接到哪个服务器，客户端都将看到相同的服务视图。即，即使客户端故障转移到具有相同会话的不同服务器，客户端也永远不会看到系统的旧视图。
• 可靠性 - 应用更新后，它将从那时起一直存在，直到客户端覆盖更新。
• 及时性 - 系统的客户视图保证在特定时间范围内是最新的。

简单的API

ZooKeeper 的设计目标之一是提供一个非常简单的编程接口。因此，它仅支持以下操作：

• create : 在树中的某个位置创建一个节点
• delete : 删除一个节点
• 存在：测试节点是否存在于某个位置
• get data : 从节点读取数据
• 设置数据：将数据写入节点
• get children : 检索节点的子节点列表
• sync : 等待数据被传播

执行

ZooKeeper 组件显示了 ZooKeeper 服务的高级组件。除了请求处理器之外，组成 ZooKeeper 服务的每个服务器都复制每个组件的自己的副本。

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复制数据库是包含整个数据树的内存数据库。更新会记录到磁盘以实现可恢复性，并且写入会在应用到内存数据库之前序列化到磁盘。

每个 ZooKeeper 服务器都为客户端提供服务。客户端只连接到一台服务器来提交请求。读取请求由每个服务器数据库的本地副本提供服务。改变服务状态的请求，写请求，由协议协议处理。

作为协议协议的一部分，来自客户端的所有写请求都被转发到一个称为领导者的服务器。其余的 ZooKeeper 服务器，称为follower，接收来自领导者的消息提议并就消息传递达成一致。消息传递层负责在失败时替换领导者并将追随者与领导者同步。

ZooKeeper 使用自定义原子消息传递协议。由于消息传递层是原子的，ZooKeeper 可以保证本地副本永远不会发散。当领导者收到一个写请求时，它会计算应用写时系统的状态，并将其转换为捕获这个新状态的事务。