zookeeper 原理

zookeeper 开源的hadoop 分布式协调服务，分布式服务可以基于他实现同步服务，配置维护和命名服务等。
为什么使用zookeeper：
大部分分布式应用需要一个主控，协调器或控制器来管理分布式的子进程（如资源，任务等）
协调程序的反复便携浪费，切难以形成通用，伸缩性好的协调器
提供分布式锁服务，用以协调分布式应用
优点：
实现最终一致性
可靠性：如果消息被一台服务器接受，那么它将被所有的服务器接受
实时性：不能保证两个客户端能同时得到刚更新的数据，如果需要最新发数据，应该在读数据之前调用sync()接口
独立性：各个client之间互不干预
原子性：更行只能成功或者失败，没有中间状态
顺序性：所有server，统一消息发布顺序一致
原理：
1.每个server 在内存中存储了一份数据
2.zk启动时，将从实例中选举一个leader(pasox 协议/算法)
3.leader 负责处理数据更新等操作
4.一个更新操作成功，当且仅当大多数erver在内存中成功修改数据
具体内容：
a. 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和广播模式。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的完成了和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。
b. 一旦leader已经和多数的follower进行了状态同步后，他就可以开始广播消息了，即进入广播状态。这时
候当一个server加入zookeeper服务中，它会在恢复模式下启动，发现leader ，并和leader进行状态同步。
待到同步结束，它也参与消息广播。Zookeeper服务一直维持在Broadcast状态，直到leader崩溃了或者leader失去了大部分的followers支持。
c.广播模式需要保证proposal被按顺序处理，因此zk采用了递增的事务id号(zxid)来保证。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为的数字，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。低32位是个递增计数。
d.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。
每个Server启动以后都询问其它的Server它要投票给谁。

    e.  对于其他server的询问，server每次根据自己的状态都回复自己推荐的leader的id和上一次处理事务的 
       zxid （系统启动时每个server都会推荐自己） 
    f.  收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的哪个Server ，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server。 
    g.  计算这过程中获得票数最多的的sever为获胜者，如果获胜者的票数超过半数，则改server被选为leader 。否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。
    h.  leader就会开始等待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

数据一致性与paxos算法

据说Paxos算法的难理解与算法的知名度一样令人敬仰，所以我们先看如何保持数据的一致性，这里有个原则就是 ： 
在一个分布式数据库系统中，如果各节点的初始状态一致，每个节点都执行相同的操作序列，那么他们最后能得到一个一致 
的状态。 
    Paxos算法解决的什么问题呢，解决的就是保证每个节点执行相同的操作序列。好吧，这还不简单，master维护一个 
全局写队列，所有写操作都必须 放入这个队列编号，那么无论我们写多少个节点，只要写操作是按编号来的，就能保证一 
致性。没错，就是这样，可是如果master挂了呢。 
    Paxos算法通过投票来对写操作进行全局编号，同一时刻，只有一个写操作被批准，同时并发的写操作要去争取选票， 
只有获得过半数选票的写操作才会被 批准（所以永远只会有一个写操作得到批准），其他的写操作竞争失败只好再发起一 
轮投票，就这样，在日复一日年复一年的投票中，所有写操作都被严格编号排 序。编号严格递增，当一个节点接受了一个 
编号为100的写操作，之后又接受到编号为99的写操作（因为网络延迟等很多不可预见原因），它马上能意识到自己 数据 
不一致了，自动停止对外服务并重启同步过程。任何一个节点挂掉都不会影响整个集群的数据一致性（总2n+1台，除非挂 
掉大于n台）。 
总结 
   Zookeeper 作为 Hadoop 项目中的一个子项目，是 Hadoop 集群管理的一个必不可少的模块，它主要用来控制集群 
中的数据，如它管理 Hadoop 集群中的 NameNode ，还有Hbase 中Master Election、Server 之间状态同步等。 

为什么zookeeper集群的数目，一般为奇数个？

Leader选举算法采用了Paxos协议；
Paxos核心思想：当多数Server写成功，则任务数据写成功
如果有3个Server ，则两个写成功即可；
如果有4或5个Server ，则三个写成功即可。
Server数目一般为奇数（3、5、7 ）
如果有3个Server ，则最多允许1个Server挂掉；
如果有4个Server ，则同样最多允许1个Server挂掉
由此，我们看出3台服务器和4台服务器的的容灾能力是一样
的，所以
为了节省服务器资源，一般我们采用奇数个数，作为服务器部
署个数。
Zookeeper的数据模型
层次化的目录结构，命名符合常规文件系统规范
每个节点在zookeeper中叫做znode,并且其有一个唯一的路径标识
节点Znode可以包含数据和子节点，但是EPHEMERAL类型的节点不能有子节点
Znode中的数据可以有多个版本，比如某一个路径下存有多个数据版本，那么查询这个路径下的数据就需要带上版本
客户端应用可以在节点上设置监视器
节点不支持部分读写，而是一次性完整读写
Zookeeper的节点
Znode有两种类型，短暂的（ephemeral ）和持久的（persistent ）
Znode的类型在创建时确定并且之后不能再修改
短暂znode的客户端会话结束时，zookeeper会将该短暂znode删除，短暂znode不可以有子节点
持久znode不依赖于客户端会话，只有当客户端明确要删除该持久znode时才会被删除
Znode有四种形式的目录节点 ：PERSISTENT、EPHEMERAL、 PERSISTENT_SEQUENTIAL、EPHEMERAL_SEQUENTIAL

zk 中的角色
leader:负责进行投票的发起和决议，更行系统状态
learner(学习者)
followr:用于接收客户端请求并响应客户端返回结果，在选举过程中参与投票
oberver:接收客户端连接，并将请求转发给leader但observer不v参加投票，只同步leader状态，目的是为了扩展系统提高读取熟读
client:请求发起方
ZK 核心：
zookeeper核心是原子广播，这个机制保证各个server之间的同步，实现这个机制额协议叫ZAB（zookeeper atomic brocast）协议
zab协议有两种模式：
恢复模式(选主)：当服务器启动或者在leader宕机后zab进入恢复模式，
当leader选举后，且大多数server和leader状态同步后，则恢复模式结束。
广播模式(同步)：状态同步保证leader和server具有相同的系统状态
Zookeeper的保证
更新请求顺序进行，来自同一个client的更新请求按其发送顺序依次执行
数据更新原子性，一次数据更新要么成功，要么失败
全局唯一数据视图，client无论连接到哪个server，数据视图都是一致的
实时性，在一定事件范围内，client能读到最新数据

Follower主要有四个功能：
1. 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
2 .接收Leader消息并进行处理；
3 .接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；
4 .返回Client结果。
Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：
1 .PING消息：心跳消息；
2 .PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；
3 .COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；
4 .UPTODATE消息：表明同步完成；
5 .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；
6 .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。
zxid
znode节点的状态信息中包含czxid, 那么什么是zxid呢?
ZooKeeper状态的每一次改变, 都对应着一个递增的Transaction id, 该id称为zxid. 由于zxid的递增性质,
如果zxid1小于zxid2, 那么zxid1肯定先于zxid2发生. 创建任意节点, 或者更新任意节点的数据,
或者删除任意节点, 都会导致Zookeeper状态发生改变, 从而导致zxid的值增加.
watcher:
Watcher 在zookeeper是一个核心功能，watcher可以监控目录节点的数据变化即子目录的变化，一旦
这些状态发生变化，服务器就会通知所有设置在这个目录及诶单上的watcher,从而每个客户都很快知道他
所关注的目录节点的状态发生变化，而做出相应的反应
可设置观察的操作：exists,getChildren,fetData
可设置出发观察的操作：create ,delete,setData

配置：
1.解压并创建data，log目录
2.在data目录中创建myid文件，内容为当前机器编号，如server1 中myid 内容为1
3.conf目录下配置 zoo.cfg
dataDir=${ZK_HOME}/data ##数据保存目录 dataLogDir=${ZK_HOME}/log ##日志目录
tickTime=2000 ##心跳检查间隔时间
syncLimit=2 ## leader与follow 之间发送消息请求和应答时间长度，最长不能超过多少个tickTIme 的商都 2*2000=4秒
clientPort=2181 ## 客户端连接zk服务器的端口，zk会见厅这个端口并接受客户端的访问请求
server.1=node1:2888:3888 ##1，2,3表示zk 服务器编号
server.2=node2:2888:3888 ## node* 表示zk服务器地址
server.3=node3:2888:3888 ## 2888表示 zk服务器与leader服务器交换信息的端口
server.4=node3:2888:3888:observer ##3888表示 当leader zk服务器宕机后，通过该端口来执行选举leader时，服务器互相通信的端口