掌握Zookeeper的基本概念与分布式协调功能

Zookeeper是一个开源的分布式协调工具，它提供了高可靠性的分布式同步服务，广泛应用于分布式系统中，用于实现服务协调、配置管理、分布式锁、选举等功能。本课件将详细讲解Zookeeper的基本概念、工作原理及其在分布式系统中的协调功能。

1. Zookeeper的基本概念

Zookeeper是由Apache开发的一个开源项目，它是一个高性能的分布式协调服务，基于“观察者模式”提供了分布式锁、命名服务、集群管理、配置管理等功能。

1.1 Zookeeper的核心概念

节点（Node）：Zookeeper的数据结构类似于文件系统，由节点（称为znode）构成。每个节点有一个路径和数据，路径类似于文件路径，数据类似于文件内容。
Znode：Zookeeper中的节点分为两类：持久化节点和临时节点。持久化节点即使客户端断开连接后依然存在；而临时节点在客户端断开连接后自动删除。
Watcher（观察者）：Zookeeper允许客户端注册监听事件，当节点的数据发生变化时，Zookeeper会通知客户端。Watcher是Zookeeper实现事件驱动机制的关键。

1.2 Zookeeper的工作原理

Zookeeper是一个分布式的协调服务，它采用了“主备模式”的架构。Zookeeper集群由一个主节点（Leader）和多个从节点（Follower）组成。

Leader节点：负责处理写请求，并协调集群中的事务。
Follower节点：主要处理读请求，将请求转发给Leader节点进行写操作。
Observer节点：只负责读取数据，不参与选举和写操作。

1.3 Zookeeper的应用场景

分布式锁：Zookeeper提供分布式锁的实现，确保多个分布式进程访问共享资源时不会发生冲突。
命名服务：通过Zookeeper管理分布式系统中的服务名称和地址。
配置管理：Zookeeper提供集中管理配置的能力，保证配置的一致性。
集群管理与节点监控：Zookeeper用于管理和监控分布式系统中的各个节点。

2. Zookeeper的分布式协调功能

Zookeeper作为一个高可用、高一致性的分布式协调工具，提供了一些核心功能来支持分布式系统的高效协调。以下是Zookeeper提供的主要分布式协调功能：

2.1 分布式锁

分布式锁是Zookeeper的经典应用场景之一。它确保在分布式环境下，多个进程不会同时执行某些关键操作。Zookeeper通过创建临时顺序节点来实现分布式锁的功能。

代码示例：实现分布式锁

public class DistributedLock {
    private static final String LOCK_NODE = "/lock";
    private ZooKeeper zk;
    private String currentNode;
    
    public DistributedLock(ZooKeeper zk) {
        this.zk = zk;
    }

    // 创建一个临时顺序节点
    public boolean acquireLock() throws KeeperException, InterruptedException {
        String nodePath = zk.create(LOCK_NODE + "/lock_", new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        currentNode = nodePath;
        
        List<String> children = zk.getChildren(LOCK_NODE, false);
        Collections.sort(children);

        // 判断当前节点是否是最小的节点
        if (nodePath.equals(LOCK_NODE + "/" + children.get(0))) {
            return true;
        } else {
            // 监听前一个节点
            String prevNode = children.get(children.indexOf(nodePath.substring(nodePath.lastIndexOf("/") + 1)) - 1);
            Stat stat = zk.exists(LOCK_NODE + "/" + prevNode, new Watcher() {
                @Override
                public void process(WatchedEvent event) {
                    try {
                        acquireLock();
                    } catch (KeeperException | InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            return false;
        }
    }

    // 释放锁
    public void releaseLock() throws KeeperException, InterruptedException {
        zk.delete(currentNode, -1);
    }
}

代码解析

acquireLock()：创建一个临时顺序节点，判断当前节点是否为最小节点。如果是，则获得锁；否则监听前一个节点的变化。
releaseLock()：删除当前节点，释放锁。

2.2 服务发现与注册

Zookeeper常用于分布式系统中的服务注册与发现。通过Zookeeper，服务可以注册到指定的路径，并且通过监听这些路径变化，客户端可以动态获取服务地址。

代码示例：服务注册与发现

public class ServiceRegistry {
    private ZooKeeper zk;
    private String servicePath;

    public ServiceRegistry(ZooKeeper zk, String servicePath) {
        this.zk = zk;
        this.servicePath = servicePath;
    }

    // 服务注册
    public void registerService(String serviceName) throws KeeperException, InterruptedException {
        String path = servicePath + "/" + serviceName;
        if (zk.exists(path, false) == null) {
            zk.create(path, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
        }
    }

    // 服务发现
    public List<String> discoverServices() throws KeeperException, InterruptedException {
        return zk.getChildren(servicePath, false);
    }
}

代码解析

registerService()：将服务注册到Zookeeper的指定路径下。
discoverServices()：获取服务路径下的所有子节点，即当前注册的服务。

2.3 配置管理

Zookeeper可以用作分布式系统的配置管理中心。各个服务通过监听Zookeeper中的配置节点，实时获取配置信息，并在配置变更时自动更新。

代码示例：配置管理

public class ConfigManager {
    private ZooKeeper zk;
    private String configNode;

    public ConfigManager(ZooKeeper zk, String configNode) {
        this.zk = zk;
        this.configNode = configNode;
    }

    // 获取配置信息
    public String getConfig() throws KeeperException, InterruptedException {
        return new String(zk.getData(configNode, false, null));
    }

    // 监听配置变更
    public void watchConfigChange() throws KeeperException, InterruptedException {
        zk.getData(configNode, new Watcher() {
            @Override
            public void process(WatchedEvent event) {
                if (event.getType() == Event.EventType.NodeDataChanged) {
                    try {
                        System.out.println("Config changed: " + getConfig());
                    } catch (KeeperException | InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }, null);
    }
}