【151期】談談 ZooKeeper 的定位:能解決什麼問題?不能解決什麼問題?
目標
ZooKeeper 很流行,有個基本的疑問:
ZooKeeper 是用來做什麼的?
之前沒有ZK,為什麼會誕生 ZK?
OK,解答一下上面的疑問:(下面是憑直覺說的)
ZooKeeper 是用於簡化分散式應用開發的,對開發者遮蔽一些分散式應用開發過程中的底層細節
ZooKeeper 對外暴露簡單的 API,用於支援分散式應用開發
ZooKeeper 在提供上述功能的同時,其還是一個 高效能、高可用、高可靠的分散式叢集
上面說這麼多,總結一下,ZK 能解決分散式應用開發的問題,ZK 能很好的解決問題。到這一步,疑問就更多了:
分散式應用開發,有哪些常見問題?ZK 是如何遮蔽這些底層細節的?
ZooKeeper 對外暴露了那些 API?這些 API 如何支援分散式應用開發的?這些 API 還能簡化嗎?API 的語義性怎麼樣?
ZooKeeper 自身是一個高效能、高可用、高可靠的分散式叢集,那有個簡單的問題:
高效能是指什麼?ZooKeeper 為了達到高效能,做了哪些工作?
高可用同上
高可靠同上
Note:本篇 wiki 就是為了解決上述第一個疑問的。(其他疑問會在其他 blog 中逐步解答)往期:一百期面試題彙總
為什麼有 ZooKeeper
一個應用程式,涉及多個程序協作時,業務邏輯程式碼中混雜有大量複雜的程序協作邏輯。
上述多程序協作邏輯,有 2 個特點:
處理複雜
處理邏輯可重用
因此,考慮將多程序協作的共性問題拎出,作為基礎設施,讓 RD 更加專注業務邏輯開發,即:
ZooKeeper 就是上述多程序協作基礎服務的一種。
ZooKeeper 的特點
ZooKeeper 有幾個簡單特點:
ZooKeeper 的 API:從 檔案系統 API 得到的啟發,提供簡單的 API
ZooKeeper 執行在專用伺服器上,跟業務邏輯分離,保證了高容錯性和可擴充套件性
ZooKeeper 是儲存設施,但特別注意
ZK上儲存的資料聚焦為:協作資料(元資料),而不是應用資料,應用資料有自己的儲存方案,例如 HDFS 等
ZK 本質上,可以看作一種特殊的 FS
特別說明:
應用資料和元資料,由於使用場景不同,對一致性和永續性的要求有差異, 因此,架構設計、資料治理過程中,應將 2 類資料獨立看待、獨立儲存。
ZooKeeper 的使命
ZK 要解決的核心問題:
ZK 目標:簡化分散式應用開發中,多程序協作問題。為分散式應用,提供高效、可靠的分散式協調服務(基礎服務),例如:
統一的命名服務
分散式鎖
程序崩潰檢測
Leader 選舉
配置管理:配置變更時,及時下發到各個 Client。
一個簡單的問題:多程序的協作是什麼?尼瑪呀,有完沒完,啥問題你都有,面對這個掉咋天的腦殼,還是回答一下。
多程序協作,整體分為 2 類:
協作:多程序需要一同處理某些事情,一些程序採取行動是的其他程序能夠正常工作,例如:主從結構,M 向 S 分配任務,S 才會執行,否則 S 就保持空閒狀態
競爭:兩個程序不能同時工作,一個程序必須等待另個程序執行完畢,例如:主從結構,M 節點失效後,很多 S 都想成為 M,這時,就需要互斥鎖,只有第一個獲得鎖的 S 成為 M
特別說明:
不跨網路協作:多程序,可以在同一臺物理主機上,同步原語很方便(比如?管道、共享記憶體、訊息佇列、訊號量)
跨網路協作:多程序,分佈在不同的物理主機上,ZK 關注這一類
跨網路多程序協作,程序通訊,基本思路有 2 個:
訊息機制:透過網路,直接資訊交換,多訊息傳遞演算法,實現同步原語
共享儲存:利用外部共享儲存,實現多程序協作,要求共享儲存提供有序訪問,ZK 採用這種方式
真實系統中,跨網路通訊,有幾個共性問題:
訊息延遲:由於網路原因,後傳送先到達
處理器效能:由於系統排程原因,訊息到達後,延遲處理
時鐘偏移:不同物理主機,時鐘發生偏移
ZK 精心設計用於遮蔽上述 3 個共性問題,使得這些問題在應用服務層面完全透明化。往期:一百期面試題彙總
ZooKeeper 特性
ZooKeeper 解決的本質問題
分散式系統的一致性問題:
訊息傳遞:延遲性,先發送的訊息,不一定先到達;
訊息傳遞:丟失性,傳送的訊息,可能丟失;
節點崩潰:分散式系統內,任何一個節點都可能崩潰;
在這種情況下,如何保證資料的一致性?
提案投票:基於投票策略,2PC
選舉投票:基於投票策略,投出優先順序最高的節點(包含最新資料的節點)
Paxos 目標:解決分散式一致性問題,提高分散式系統容錯性的一致性演算法。
Paxos 本質:基於訊息傳遞的高度容錯的一致性演算法
ZooKeeper 定位
ZooKeeper 是:
分散式協調服務
高效、可靠
方便應用程式,聚焦業務邏輯開發,而不需要過多關注分散式程序間協作細節
ZooKeeper 不直接暴露原語,而是,暴露一部分呼叫方法組成的 API,類似檔案系統的 API,支援應用程式實現自己的原語。
ZooKeeper 特性
ZooKeeper 可以保證如下分散式一致性特性:
順序一致性:同一個 Client 發起的事務請求,嚴格按照發起順序執行
原子性:事務請求,要麼應用到所有節點,要麼一個節點都沒有應用
單一檢視:Client 無論連線到哪個節點,看到的服務端資料都是一致的(Note:不準確,其實是最終一致性)
可靠性:事務一旦執行成功,狀態永久保留
實時性:事務一旦執行成功,Client 並不能立即看到最新資料,但 ZooKeeper 保證最終一致性
ZooKeeper 設計目標
ZooKeeper 致力於提供高效能、高可用、順序一致性的分散式協調服務,保證資料最終一致性。往期:一百期面試題彙總
目標一:高效能(簡單的資料模型)
採用樹形結構組織資料節點;
全量資料節點,都儲存在記憶體中;
Follower 和 Observer 直接處理非事務請求;
目標二:高可用(構建叢集)
半數以上機器存活,服務就能正常執行
自動進行 Leader 選舉
目標三:順序一致性(事務操作的順序)
每個事務請求,都會轉發給 Leader 處理
每個事務,會分配全域性唯一的遞增id(zxid,64位:epoch + 自增 id)
目標四:最終一致性
透過提議投票方式,保證事務提交的可靠性
提議投票方式,只能保證 Client 收到事務提交成功後,半數以上節點能夠看到最新資料
ZooKeeper 出現之前
ZK 出現之前,分散式系統常用兩種方式,實現多程序協作:
分散式鎖管理器
分散式資料庫
ZK 更專注於程序協作,而不提供任何鎖介面和通用的儲存資料介面。(疑問:ZK 也可以提供啊,我們不使用就行了)
應用伺服器,常見的需求:
Master-Slave Leader 選舉:要求提供Master節點選舉功能
程序響應跟蹤 崩潰檢測:要求提供程序存活狀態的跟蹤
分散式鎖:互斥排它鎖
ZK 為上述 2 種策略提供了基礎 API。
ZooKeeper 不適用的場景:
海量資料儲存:
ZK 本質是特殊的 FS,但 ZK 用於儲存元資料,需要單獨儲存應用資料
術語介紹
參考來源
ZooKeeper-Distributed Process Coordination Chapter 1 簡介
從Paxos到Zookeeper分散式一致性原理與實踐 Chapter 4 初識 ZooKeeper