分布式限流面试专题系列之zookeeper系列

1.ZooKeeper 是什么？

ZooKeeper 是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务，是 Google 的 Chubby 一个开源的实现，它是集群的管理者，监视着集群中各个节点的状态根据节点提交的反馈进行下一步合理操做。最终，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。客户端的读请求能够被集群中的任意一台机器处理，若是读请求在节点上注册了监听器，这个监听器也是由所链接的 zookeeper 机器来处理。对于写请求，这些请求会同时发给其余 zookeeper 机器而且达成一致后，请求才会返回成功。所以，随着 zookeeper 的集群机器增多，读请求的吞吐会提升可是写请求的吞吐会降低。有序性是 zookeeper 中很是重要的一个特性，全部的更新都是全局有序的，每一个更新都有一个惟一的时间戳，这个时间戳称为zxid（Zookeeper Transaction Id）。而读请求只会相对于更新有序，也就是读请求的返回结果中会带有这个 zookeeper 最新的 zxid

2.ZooKeeper 提供了什么？

一、文件系统

二、通知机制

3.Zookeeper 文件系统

Zookeeper 提供一个多层级的节点命名空间（节点称为 znode）。与文件系统不一样的是，这些节点均可以设置

关联的数据，而文件系统中只有文件节点能够存放数据而目录节点不行。Zookeeper 为了保证高吞吐和低延迟，在内存中维护了这个树状的目录结构，这种特性使得 Zookeeper 不能用于存放大量的数据，每一个节点的存放数据上限为 1M。

4.四种类型的 znod

一、PERSISTENT-持久化目录节点

客户端与 zookeeper 断开链接后，该节点依旧存在

二、PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化顺序编号目录节点

客户端与 zookeeper 断开链接后，该节点依旧存在，只是 Zookeeper 给该节点名称进行顺序编号

三、EPHEMERAL-临时目录节点

客户端与 zookeeper 断开链接后，该节点被删除

四、EPHEMERAL_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点

客户端与 zookeeper 断开链接后，该节点被删除，只是 Zookeeper 给该节点名称进行顺序编号

5.Zookeeper 通知机制

client 端会对某个 znode 创建一个 watcher 事件，当该 znode 发生变化时，这些 client 会收到 zk 的通知，而后 client 能够根据 znode 变化来作出业务上的改变等。

6.Zookeeper 作了什么？

一、命名服务

二、配置管理

三、集群管理

四、分布式锁

五、队列管理

7.zk 的命名服务（文件系统）

命名服务是指经过指定的名字来获取资源或者服务的地址，利用 zk 建立一个全局的路径，便是惟一的路径，这个路径就能够做为一个名字，指向集群中的集群，提供的服务的地址，或者一个远程的对象等等。

8.zk 的配置管理（文件系统、通知机制）

程序分布式的部署在不一样的机器上，将程序的配置信息放在 zk 的 znode 下，当有配置发生改变时，也就是znode 发生变化时，能够经过改变 zk 中某个目录节点的内容，利用 watcher 通知给各个客户端，从而更改配置。

9.Zookeeper 集群管理（文件系统、通知机制）

所谓集群管理无在意两点：是否有机器退出和加入、选举 master。

对于第一点，全部机器约定在父目录下建立临时目录节点，而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 的链接断开，其所建立的临时目录节点被删除，全部其余机器都收到通知：某个兄弟目录被删除，因而，全部人都知道：它上船了。

新机器加入也是相似，全部机器收到通知：新兄弟目录加入，highcount 又有了，对于第二点，咱们稍微改变一下，全部机器建立临时顺序编号目录节点，每次选取编号最小的机器做为 master 就好

10.Zookeeper 分布式锁（文件系统、通知机制）

有了 zookeeper 的一致性文件系统，锁的问题变得容易。锁服务能够分为两类，一个是保持独占，另外一个是控制时序。

对于第一类，咱们将 zookeeper 上的一个 znode 看做是一把锁，经过 createznode 的方式来实现。全部客户端都去建立 /distribute_lock 节点，最终成功建立的那个客户端也即拥有了这把锁。用完删除掉本身建立的distribute_lock 节点就释放出锁。

对于第二类， /distribute_lock 已经预先存在，全部客户端在它下面建立临时顺序编号目录节点，和选master 同样，编号最小的得到锁，用完删除，依次方便。

11.获取分布式锁的流程

在获取分布式锁的时候在 locker 节点下建立临时顺序节点，释放锁的时候删除该临时节点。客户端调用createNode 方法在 locker 下建立临时顺序节点，

而后调用 getChildren(“locker”)来获取 locker 下面的全部子节点，注意此时不用设置任何 Watcher。客户端获取到全部的子节点 path 以后，若是发现本身建立的节点在全部建立的子节点序号最小，那么就认为该客户端获取到了锁。若是发现本身建立的节点并不是 locker 全部子节点中最小的，说明本身尚未获取到锁，此时客户端须要找到比本身小的那个节点，而后对其调用 exist()方法，同时对其注册事件监听器。以后，让这个被关注的节点删除，则客户端的 Watcher 会收到相应通知，此时再次判断本身建立的节点是不是 locker 子节点中序号最小的，若是是则获取到了锁，若是不是则重复以上步骤继续获取到比本身小的一个节点并注册监听。当前这个过程当中还须要许多的逻辑判断。

代码的实现主要是基于互斥锁，获取分布式锁的重点逻辑在于 BaseDistributedLock，实现了基于Zookeeper 实现分布式锁的细节。

12.Zookeeper 队列管理（文件系统、通知机制）

两种类型的队列：

一、同步队列，当一个队列的成员都聚齐时，这个队列才可用，不然一直等待全部成员到达。二、队列按照 FIFO 方式进行入队和出队操做。

第一类，在约定目录下建立临时目录节点，监听节点数目是不是咱们要求的数目。

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。在特定的目录下建立PERSISTENT_SEQUENTIAL 节点，建立成功时 Watcher 通知等待的队列，队列删除序列号最小的节点用以消费。此场景下 Zookeeper 的 znode 用于消息存储，znode 存储的数据就是消息队列中的消息内容，SEQUENTIAL 序列号就是消息的编号，按序取出便可。因为建立的节点是持久化的，因此没必要担忧队列消息的丢失问题。

13.Zookeeper 数据复制

Zookeeper 做为一个集群提供一致的数据服务，天然，它要在全部机器间作数据复制。

数据复制的好处：

一、容错：一个节点出错，不致于让整个系统中止工做，别的节点能够接管它的工做；

二、提升系统的扩展能力 ：把负载分布到多个节点上，或者增长节点来提升系统的负载能力；

三、提升性能：让客户端本地访问就近的节点，提升用户访问速度。

从客户端读写访问的透明度来看，数据复制集群系统分下面两种：

一、写主(WriteMaster) ：对数据的修改提交给指定的节点。读无此限制，能够读取任何一个节点。这种状况下客户端须要对读与写进行区别，俗称读写分离；

二、写任意(Write Any)：对数据的修改可提交给任意的节点，跟读同样。这种状况下，客户端对集群节点的角色与变化透明。

对 zookeeper 来讲，它采用的方式是写任意。经过增长机器，它的读吞吐能力和响应能力扩展性很是好，而写，随着机器的增多吞吐能力确定降低（这也是它创建 observer 的缘由），而响应能力则取决于具体实现方式，是延迟复制保持最终一致性，仍是当即复制快速响应。

14.Zookeeper 工做原理

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作 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 的状态同步之后，恢复模式就结束了。状态同步保证了 leader 和 Server 具备相同的系统状态。

15.zookeeper 是如何保证事务的顺序一致性的？

zookeeper 采用了递增的事务 Id 来标识，全部的 proposal（提议）都在被提出的时候加上了 zxid，zxid 其实是一个 64 位的数字，高 32 位是 epoch（时期; 纪元; 世; 新时代）用来标识 leader 是否发生改变，若是有新的 leader 产生出来，epoch 会自增，低 32 位用来递增计数。当新产生 proposal 的时候，会依据数据库的两阶段过程，首先会向其余的 server 发出事务执行请求，若是超过半数的机器都能执行而且可以成功，那么就会开始执行。

16.Zookeeper 下 Server 工做状态

每一个 Server 在工做过程当中有三种状态：

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

leaderFOLLOWING：leader 已经选举出来，当前 Server 与之同步

17.zookeeper 是如何选取主 leader 的？

当 leader 崩溃或者 leader 失去大多数的 follower，这时 zk 进入恢复模式，恢复模式须要从新选举出一个新的leader，让全部的 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，另一种是基于 fast paxos 算法实现的。系统默认的选举算法为 fast paxos。

一、Zookeeper 选主流程(basic paxos)

（1）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；

（2）选举线程首先向全部 Server 发起一次询问(包括本身)；

（3）选举线程收到回复后，验证是不是本身发起的询问(验证 zxid 是否一致)，而后获取对方的 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；

（4）收到全部 Server 回复之后，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；

（5）线程将当前 zxid 最大的 Server 设置为当前 Server 要推荐的 Leader，若是此时获胜的 Server 得到 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 相关信息设置本身的状态，不然，继续这个过程，直到 leader 被选举出来。 经过流程分析咱们能够得出：要使 Leader 得到多数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. 每一个 Server 启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，若是是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的 server 还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息，zk 会记录事务日志并按期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复

二、Zookeeper 选主流程(basic paxos)

fast paxos 流程是在选举过程当中，某 Server 首先向全部 Server 提议本身要成为 leader，当其它 Server 收到提议之后，解决 epoch 和 zxid 的冲突，并接受对方的提议，而后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后必定能选举出 Leader。

18.Zookeeper 同步流程

选完 Leader 之后，zk 就进入状态同步过程。

一、Leader 等待 server 链接；

二、Follower 链接 leader，将最大的 zxid 发送给 leader；

三、Leader 根据 follower 的 zxid 肯定同步点；

四、完成同步后通知 follower 已经成为 uptodate 状态；

五、Follower 收到 uptodate 消息后，又能够从新接受 client 的请求进行服务了。

19.分布式通知和协调

对于系统调度来讲：操做人员发送通知实际是经过控制台改变某个节点的状态，而后 zk 将这些变化发送给注册了这个节点的 watcher 的全部客户端。

对于执行状况汇报：每一个工做进程都在某个目录下建立一个临时节点。并携带工做的进度数据，这样汇总的进程能够监控目录子节点的变化得到工做进度的实时的全局状况。

20.机器中为何会有 leader？

在分布式环境中，有些业务逻辑只须要集群中的某一台机器进行执行，其余的机器能够共享这个结果，这样能够大大减小重复计算，提升性能，因而就须要进行 leader 选举。

21.zk 节点宕机如何处理？

Zookeeper 自己也是集群，推荐配置很多于 3 个服务器。Zookeeper 自身也要保证当一个节点宕机时，其余节点会继续提供服务。

若是是一个 Follower 宕机，还有 2 台服务器提供访问，由于 Zookeeper 上的数据是有多个副本的，数据并不会丢失；

若是是一个 Leader 宕机，Zookeeper 会选举出新的 Leader。

ZK 集群的机制是只要超过半数的节点正常，集群就能正常提供服务。只有在 ZK 节点挂得太多，只剩一半或不到一半节点能工做，集群才失效。

因此

3 个节点的 cluster 能够挂掉 1 个节点(leader 能够获得 2 票>1.5)

2 个节点的 cluster 就不能挂掉任何 1 个节点了(leader 能够获得 1 票<=1)

22.zookeeper 负载均衡和 nginx 负载均衡区别

zk 的负载均衡是能够调控，nginx 只是能调权重，其余须要可控的都须要本身写插件；可是 nginx 的吞吐量比zk 大不少，应该说按业务选择用哪一种方式。

23.zookeeper watch 机制

Watch 机制官方声明：一个 Watch 事件是一个一次性的触发器，当被设置了 Watch 的数据发生了改变的时候，则服务器将这个改变发送给设置了 Watch 的客户端，以便通知它们。Zookeeper 机制的特色：

一、一次性触发数据发生改变时，一个 watcher event 会被发送到 client，可是 client 只会收到一次这样的信息。

二、watcher event 异步发送 watcher 的通知事件从 server 发送到 client 是异步的，这就存在一个问题，不一样的客户端和服务器之间经过 socket 进行通讯，因为网络延迟或其余因素致使客户端在不通的时刻监听到事件，因为 Zookeeper 自己提供了 ordering guarantee，即客户端监听事件后，才会感知它所监视 znode 发生了变化。因此咱们使用 Zookeeper 不能指望可以监控到节点每次的变化。Zookeeper 只能保证最终的一致性，而没法保证强一致性。

三、数据监视 Zookeeper 有数据监视和子数据监视 getdata() and exists()设置数据监视，getchildren()设置了子节点监视。

四、注册 watcher getData、exists、getChildren

五、触发 watcher create、delete、setData

六、setData()会触发 znode 上设置的 data watch（若是 set 成功的话）。一个成功的 create() 操做会触发建立的 znode 上的数据 watch，以及其父节点上的 child watch。而一个成功的 delete()操做将会同时触发一个 znode 的 data watch 和 child watch（由于这样就没有子节点了），同时也会触发其父节点的 childwatch。

七、当一个客户端链接到一个新的服务器上时，watch 将会被以任意会话事件触发。当与一个服务器失去链接的时候，是没法接收到 watch 的。而当 client 从新链接时，若是须要的话，全部先前注册过的 watch，都会被从新注册。一般这是彻底透明的。只有在一个特殊状况下，watch 可能会丢失：对于一个未建立的 znode 的exist watch，若是在客户端断开链接期间被建立了，而且随后在客户端链接上以前又删除了，这种状况下，这个 watch 事件可能会被丢失。

八、Watch 是轻量级的，其实就是本地 JVM 的 Callback，服务器端只是存了是否有设置了 Watcher 的布尔类型

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