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[Java教程]分布式设计与开发(三)


分布式环境中大多数服务是允许部分失败,也允许数据不一致,但有些最基础的服务是需要高可靠性,高一致性的,这些服务是其他分布式服务运转的基础,比如naming service、分布式lock等,这些分布式的基础服务有以下要求:

  • 高可用性
  • 高一致性
  • 高性能

对于这种有些挑战CAP原则 的服务该如何设计,是一个挑战,也是一个不错的研究课题,Apache的ZooKeeper也许给了我们一个不错的答案。ZooKeeper是一个分布式的,开放源码的分布式应用程序协调服务, 它暴露了一个简单的原语集,分布式应用程序可以基于它实现同步服务,配置维护和命名服务等。关于ZooKeeper更多信息可以参见 官方文档

ZooKeeper的基本使用

搭一个分布式的ZooKeeper环境比较简单,基本步骤如下:

1)在各服务器安装 ZooKeeper

下载ZooKeeper后在各服务器上进行解压即可

tar -xzf zookeeper-3.2.2.tar.gz

2)配置集群环境

分别各服务器的zookeeper安装目录下创建名为zoo.cfg的配置文件,内容填写如下:

[xhtml] view plaincopy

  1. # The number of milliseconds of each tick  
  2. tickTime=2000  
  3. # The number of ticks that the initial  
  4. # synchronization phase can take  
  5. initLimit=10  
  6. # The number of ticks that can pass between  
  7. # sending a request and getting an acknowledgement  
  8. syncLimit=5  
  9. # the directory where the snapshot is stored.  
  10. dataDir=/home/admin/zookeeper-3.2.2/data  
  11. # the port at which the clients will connect  
  12. clientPort=2181  
  13. server.1=zoo1:2888:3888  
  14. server.2=zoo2:2888:3888  

 

其中zoo1和zoo2分别对应集群中各服务器的机器名或ip,server.1和server.2中1和2分别对应各服务器的zookeeper id,id的设置方法为在dataDir配置的目录下创建名为myid的文件,并把id作为其文件内容即可,在本例中就分为设置为1和2。其他配置具体含 义可见官方文档。

3)启动集群环境

分别在各服务器下运行zookeeper启动脚本

/home/admin/zookeeper-3.2.2/bin/zkServer.sh start

4)应用zookeeper

应用zookeeper可以在是shell中执行命令,也可以在java或c中调用程序接口。

在shell中执行命令,可运行以下命令:

bin/zkCli.sh -server 10.20.147.35:2181

其中 10.20.147.35为集群中任一台机器的ip或机器名。执行后可进入zookeeper的操作面板,具体如何操作可见官方文档

在java中通过调用程序接口来应用zookeeper较为复杂一点,需要了解watch和callback等概念,不过试验最简单的CURD倒不需要这些,只需要使用ZooKeeper这个类即可,具体测试代码如下:

[java] view plaincopy

  1. public static void main(String[] args) {  
  2.     try {  
  3.         ZooKeeper zk = new ZooKeeper("10.20.147.35:2181", 30000, null);  
  4.         String name = zk.create("/company", "alibaba".getBytes(),  
  5.                 Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL);  
  6.         Stat stat = new Stat();  
  7.         System.out.println(new String(zk.getData(name, null, stat)));  
  8.         zk.setData(name, "taobao".getBytes(), stat.getVersion(), null, null);  
  9.         System.out.println(new String(zk.getData(name, null, stat)));  
  10.         stat = zk.exists(name, null);  
  11.         zk.delete(name, stat.getVersion(), null, null);  
  12.         System.out.println(new String(zk.getData(name, null, stat)));  
  13.     } catch (Exception e) {  
  14.         e.printStackTrace();  
  15.     }  
  16. }  

 

以上代码比较简单,查看一下zooKeeper的api doc就知道如何使用了

ZooKeeper的实现机理

ZooKeeper的实现机理是我看过的开源框架中最复杂的,它的解决是分布式环境中的一致性问题,这个场景也决定了其实现的复杂性。看了两三天的源码还是有些摸不着头脑,有些超出了我的能力,不过通过看文档和其他高人写的文章大致清楚它的原理和基本结构。

1)ZooKeeper的基本原理

ZooKeeper是以Fast Paxos算法为基础的,在前一篇 blog 中大致介绍了一下paxos,而没有提到的是paxos存在活锁的问题,也就是当有多个 proposer交错提交时,有可能互相排斥导致没有一个proposer能提交成功,而Fast Paxos作了一些优化,通过选举产生一个leader,只有leader才能提交propose,具体算法可见Fast Paxos 。因此,要想弄得ZooKeeper首先得对Fast Paxos有所了解。

2)ZooKeeper的基本运转流程

ZooKeeper主要存在以下两个流程:

  • 选举Leader
  • 同步数据

选举Leader过程中算法有很多,但要达到的选举标准是一致的:

  • Leader要具有最高的zxid 
  • 集群中大多数的机器得到响应并follow选出的Leader

同步数据这个流程是ZooKeeper的精髓所在,并且就是Fast Paxos算法的具体实现。一个牛人画了一个ZooKeeper数据流动图,比较直观地描述了ZooKeeper是如何同步数据的。

以上两个核心流程我暂时还不能悟透其中的精髓,这也和我还没有完全理解Fast Paxos算法有关,有待后续深入学习

ZooKeeper的应用领域

Tim在blog中提到了Paxos所能应用的几个主要场景,包括database replication、naming service、config配置管理、access control list等等,这也是ZooKeeper可以应用的几个主要场景。此外, ZooKeeper官方文档中提到了几个更为基础的分布式应用,这也算是ZooKeeper的妙用吧

1)分布式Barrier

Barrier是一种控制和协调多个任务触发次序的机制,简单说来就是搞个闸门把欲执行的任务给拦住,等所有任务都处于可以执行的状态时,才放开闸门。它的机理可以见下图所示:

在单机上JDK提供了CyclicBarrier这个类来实现这个机制,但在分布式环境中JDK就无能为力了。在分布式里实现Barrer需要高一致性做保障,因此 ZooKeeper可以派上用场,所采取的方案就是用一个Node作为Barrer的实体,需要被Barrer的任务通过调用 exists()检测这个Node的存在,当需要打开Barrier的时候,删掉这个Node,ZooKeeper的watch机制会通知到各个任务可以 开始执行。

2) 分布式 Queue

与 Barrier类似 分布式环境中 实现Queue也需要高一致性做保障, ZooKeeper提供了一个种简单的方式, ZooKeeper通过一个Node来维护Queue的实体,用其children来存储Queue的内容,并且 ZooKeeper的create方法中提供了顺序递增的模式,会自动地在name后面加上一个递增的数字来插入新元素。可以用其 children来构建一个queue的数据结构,offer的时候使用create,take的时候按照children的顺序删除第一个即可。 ZooKeeper保障了各个server上数据是一致的,因此也就实现了一个 分布式 Queue。take和offer的实例代码如下所示:

 

[java] view plaincopy

  1. /** 
  2.  * Removes the head of the queue and returns it, blocks until it succeeds. 
  3.  * @return The former head of the queue 
  4.  * @throws NoSuchElementException 
  5.  * @throws KeeperException 
  6.  * @throws InterruptedException 
  7.  */  
  8. public byte[] take() throws KeeperException, InterruptedException {  
  9.     TreeMap<Long,String> orderedChildren;  
  10.     // Same as for element.  Should refactor this.  
  11.     while(true){  
  12.         LatchChildWatcher childWatcher = new LatchChildWatcher();  
  13.         try{  
  14.             orderedChildren = orderedChildren(childWatcher);  
  15.         }catch(KeeperException.NoNodeException e){  
  16.             zookeeper.create(dir, new byte[0], acl, CreateMode.PERSISTENT);  
  17.             continue;  
  18.         }  
  19.         if(orderedChildren.size() == 0){  
  20.             childWatcher.await();  
  21.             continue;  
  22.         }  
  23.         for(String headNode : orderedChildren.values()){  
  24.             String path = dir +"/"+headNode;  
  25.             try{  
  26.                 byte[] data = zookeeper.getData(path, false, null);  
  27.                 zookeeper.delete(path, -1);  
  28.                 return data;  
  29.             }catch(KeeperException.NoNodeException e){  
  30.                 // Another client deleted the node first.  
  31.             }  
  32.         }  
  33.     }  
  34. }  
  35. /** 
  36.  * Inserts data into queue. 
  37.  * @param data 
  38.  * @return true if data was successfully added 
  39.  */  
  40. public boolean offer(byte[] data) throws KeeperException, InterruptedException{  
  41.     for(;;){  
  42.         try{  
  43.             zookeeper.create(dir+"/"+prefix, data, acl, CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL);  
  44.             return true;  
  45.         }catch(KeeperException.NoNodeException e){  
  46.             zookeeper.create(dir, new byte[0], acl, CreateMode.PERSISTENT);  
  47.         }  
  48.     }  
  49. }  

3)分布式lock

利用 ZooKeeper实现 分布式lock,主要是通过一个Node来代表一个Lock,当一个client去拿锁的时候,会在这个Node下创建一个自增序列的 child,然后通过getChildren()方式来check创建的child是不是最靠前的,如果是则拿到锁,否则就调用exist()来 check第二靠前的child,并加上watch来监视。当拿到锁的child执行完后归还锁,归还锁仅仅需要删除自己创建的child,这时 watch机制会通知到所有没有拿到锁的client,这些child就会根据前面所讲的拿锁规则来竞争锁。