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[導(dǎo)讀]ZooKeeper是一個分布式的協(xié)調(diào)服務(wù),它提供了高可用性和順序一致性的數(shù)據(jù)存儲,通常用于解決分布式系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)問題。ZooKeeper通過使用ZooKeeper客戶端庫與ZooKeeper服務(wù)器集群進行交互來實現(xiàn)這些特性。

ZooKeeper是一個分布式的協(xié)調(diào)服務(wù),它提供了高可用性和順序一致性的數(shù)據(jù)存儲,通常用于解決分布式系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)問題。ZooKeeper通過使用ZooKeeper客戶端庫與ZooKeeper服務(wù)器集群進行交互來實現(xiàn)這些特性。

ZooKeeper保證事務(wù)的順序一致性是通過原子更新操作的方式來實現(xiàn)的。ZooKeeper提供了一組原子操作,可以讓客戶端更新服務(wù)器上的數(shù)據(jù)節(jié)點。這些原子操作被稱為 ZooKeeper事務(wù),事務(wù)在服務(wù)器端被逐個處理,并按照它們在客戶端發(fā)送的順序來執(zhí)行。這確保了所有客戶端看到的數(shù)據(jù)更新順序是一致的。

ZooKeeper 的設(shè)計目標(biāo)之一是提供一致性服務(wù),因此在其內(nèi)部實現(xiàn)中,保持事務(wù)的順序一致性非常重要。

ZooKeeper作為分布式應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)調(diào)服務(wù),在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛,在某些業(yè)務(wù)場景下甚至可以作為注冊中心、分布式鎖來使用。ZooKeeper之所以能有如此廣泛的應(yīng)用,與它良好的數(shù)據(jù)一致性保障機制是分不開的。我們都知道ZooKeeper專門設(shè)計了Zab(Zookeeper Atomic Broadcast)協(xié)議作為其數(shù)據(jù)一致性協(xié)議。

利用Zab協(xié)議的數(shù)據(jù)寫入由Leader結(jié)點協(xié)調(diào),使用兩階段提交的方式,達到數(shù)據(jù)的最終一致性。為什么是最終一致性呢?我們先了解下兩階段的過程,如圖一所示:

圖一


一文詳解ZooKeeper的順序一致性

數(shù)據(jù)寫入過程如下:

第一階段:每次的數(shù)據(jù)寫入事件作為提案廣播給所有Follower結(jié)點;可以寫入的結(jié)點返回確認(rèn)信息ACK;

第二階段:Leader收到一半以上的ACK信息后確認(rèn)寫入可以生效,向所有結(jié)點廣播COMMIT將提案生效。

根據(jù)寫入過程的兩階段的描述,我們知道ZooKeeper保證的是最終一致性,即Leader向客戶端返回寫入成功后,可能有部分Follower還沒有寫入最新的數(shù)據(jù),所以是最終一致性。

我們都知道ZooKeeper保證的最終一致性也叫順序一致性,即每個結(jié)點的數(shù)據(jù)都是嚴(yán)格按事務(wù)的發(fā)起順序生效的。

ZooKeeper是如何保證事務(wù)順序的呢?

這里需要了解下它的事務(wù)ID(ZXID),之前的文章介紹過ZooKeeper的在選舉時通過比較各結(jié)點的ZXID和機器ID選出新的注結(jié)點的。ZXID由Leader節(jié)點生成,有新寫入事件時,Leader生成新ZXID并隨提案一起廣播,每個結(jié)點本地都保存了當(dāng)前最近一次事務(wù)的ZXID,ZXID是遞增的,所以誰的ZXID越大,就表示誰的數(shù)據(jù)是最新的。

ZXID的生成規(guī)則如下圖所示:

圖二


一文詳解ZooKeeper的順序一致性

ZXID有兩部分組成:

任期:完成本次選舉后,直到下次選舉前,由同一Leader負責(zé)協(xié)調(diào)寫入;

事務(wù)計數(shù)器:單調(diào)遞增,每生效一次寫入,計數(shù)器加一。

可以看到,ZXID的低32位是計數(shù)器,所以同一任期內(nèi),ZXID是連續(xù)的,每個結(jié)點又都保存著自身最新生效的ZXID,通過對比新提案的ZXID與自身最新ZXID是否相差“1”,來保證事務(wù)嚴(yán)格按照順序生效的。

我們都知道ZooKeeper集群的寫入是由Leader結(jié)點協(xié)調(diào)的,真實場景下寫入會有一定的并發(fā)量,那Zab協(xié)議的兩階段提交是如何保證事務(wù)嚴(yán)格按順序生效的呢?在本章介紹兩階段提交的部分描述了Leader在收到半數(shù)以上ACK后會將提案生效并廣播給所有Follower結(jié)點。

Leader為了保證提案按ZXID順序生效,使用了一個ConcurrentHashMap,記錄所有未提交的提案,命名為outstandingProposals,key為ZXID,Value為提案的信息。對outstandingProposals的訪問邏輯如下:

1、每發(fā)起一個提案,會將提案的ZXID和內(nèi)容放到outstandingProposals中,作為待提交的提案;

2、收到Follower的ACK信息后,根據(jù)ACK中的ZXID從outstandingProposals中找到對應(yīng)的提案,對ACK計數(shù);

3、執(zhí)行tryToCommit嘗試將提案提交,判斷流程如下:

3.1:判斷當(dāng)前ZXID之前是否還有未提交提案,如果有,當(dāng)前提案暫時不能提交;

3.2:判斷提案是否收到半數(shù)以上ACK,如果達到半數(shù)則可以提交;

3.3:如果可以提交,將當(dāng)前ZXID從outstandingProposals中清除并向Followers廣播提交當(dāng)前提案;

Leader是如何判斷當(dāng)前ZXID之前是否還有未提交提案的呢?由于前提是保證順序提交的,所以Leader只需判斷outstandingProposals里,當(dāng)前ZXID的前一個ZXID是否存在,代碼如下:

圖三


一文詳解ZooKeeper的順序一致性

所以ZooKeeper是通過兩階段提交保證數(shù)據(jù)的最終一致性,并且通過嚴(yán)格的按照ZXID的順序生效提案保證其順序一致性的。

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