Zookeeper 從設計模式角度來看，是一個基於觀察者模式設計的分散式服務管理框架，它負責存儲和管理大家都關心的數據，然後接受觀察者的註冊，一旦這些數據的狀態發生變化，Zookeeper 就將負責通知已經在 Zookeeper 上註冊的那些觀察者做出相應的反應，從而實現集群中類似 Master/Slave 管理模式，關於 Zookeeper 的詳細架構等內部細節可以閱讀 Zookeeper 的源碼

下麵詳細介紹這些典型的應用場景，也就是 Zookeeper 到底能幫我們解決哪些問題？下麵將給出答案。

統一命名服務（Name Service）

分散式應用中，通常需要有一套完整的命名規則，既能夠產生唯一的名稱又便於人識別和記住，通常情況下用樹形的名稱結構是一個理想的選擇，樹形的名稱結構是一個有層次的目錄結構，既對人友好又不會重覆。說到這裡你可能想到了 JNDI，沒錯 Zookeeper 的 Name Service 與 JNDI 能夠完成的功能是差不多的，它們都是將有層次的目錄結構關聯到一定資源上，但是 Zookeeper 的 Name Service 更加是廣泛意義上的關聯，也許你並不需要將名稱關聯到特定資源上，你可能只需要一個不會重覆名稱，就像資料庫中產生一個唯一的數字主鍵一樣。

Name Service 已經是 Zookeeper 內置的功能，你只要調用 Zookeeper 的 API 就能實現。如調用 create 介面就可以很容易創建一個目錄節點。

配置管理（Configuration Management）

配置的管理在分散式應用環境中很常見，例如同一個應用系統需要多台 PC Server 運行，但是它們運行的應用系統的某些配置項是相同的，如果要修改這些相同的配置項，那麼就必須同時修改每台運行這個應用系統的 PC Server，這樣非常麻煩而且容易出錯。

像這樣的配置信息完全可以交給 Zookeeper 來管理，將配置信息保存在 Zookeeper 的某個目錄節點中，然後將所有需要修改的應用機器監控配置信息的狀態，一旦配置信息發生變化，每台應用機器就會收到 Zookeeper 的通知，然後從 Zookeeper 獲取新的配置信息應用到系統中。

圖 2. 配置管理結構圖

集群管理（Group Membership）

Zookeeper 能夠很容易的實現集群管理的功能，如有多台 Server 組成一個服務集群，那麼必須要一個“總管”知道當前集群中每台機器的服務狀態，一旦有機器不能提供服務，集群中其它集群必須知道，從而做出調整重新分配服務策略。同樣當增加集群的服務能力時，就會增加一臺或多台 Server，同樣也必須讓“總管”知道。

Zookeeper 不僅能夠幫你維護當前的集群中機器的服務狀態，而且能夠幫你選出一個“總管”，讓這個總管來管理集群，這就是 Zookeeper 的另一個功能 Leader Election。

它們的實現方式都是在 Zookeeper 上創建一個 EPHEMERAL 類型的目錄節點，然後每個 Server 在它們創建目錄節點的父目錄節點上調用 getChildren(String path, boolean watch) 方法並設置 watch 為 true，由於是 EPHEMERAL 目錄節點，當創建它的 Server 死去，這個目錄節點也隨之被刪除，所以 Children 將會變化，這時 getChildren上的 Watch 將會被調用，所以其它 Server 就知道已經有某台 Server 死去了。新增 Server 也是同樣的原理。

Zookeeper 如何實現 Leader Election，也就是選出一個 Master Server。和前面的一樣每台 Server 創建一個 EPHEMERAL 目錄節點，不同的是它還是一個 SEQUENTIAL 目錄節點，所以它是個 EPHEMERAL_SEQUENTIAL 目錄節點。之所以它是 EPHEMERAL_SEQUENTIAL 目錄節點，是因為我們可以給每台 Server 編號，我們可以選擇當前是最小編號的 Server 為 Master，假如這個最小編號的 Server 死去，由於是 EPHEMERAL 節點，死去的 Server 對應的節點也被刪除，所以當前的節點列表中又出現一個最小編號的節點，我們就選擇這個節點為當前 Master。這樣就實現了動態選擇 Master，避免了傳統意義上單 Master 容易出現單點故障的問題。

圖 3. 集群管理結構圖

這部分的示例代碼如下，完整的代碼請看附件：

清單 3. Leader Election 關鍵代碼

void findLeader() throws InterruptedException {
byte[] leader = null;
try {
leader = zk.getData(root + "/leader", true, null);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
if (leader != null) {
following();
} else {
String newLeader = null;
try {
byte[] localhost = InetAddress.getLocalHost().getAddress();
newLeader = zk.create(root + "/leader", localhost,
ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);
} catch (Exception e) {
logger.error(e);
}
if (newLeader != null) {
leading();
} else {
mutex.wait();
}
}
}

共用鎖（Locks）

共用鎖在同一個進程中很容易實現，但是在跨進程或者在不同 Server 之間就不好實現了。Zookeeper 卻很容易實現這個功能，實現方式也是需要獲得鎖的 Server 創建一個 EPHEMERAL_SEQUENTIAL 目錄節點，然後調用 getChildren方法獲取當前的目錄節點列表中最小的目錄節點是不是就是自己創建的目錄節點，如果正是自己創建的，那麼它就獲得了這個鎖，如果不是那麼它就調用 exists(String path, boolean watch) 方法並監控 Zookeeper 上目錄節點列表的變化，一直到自己創建的節點是列表中最小編號的目錄節點，從而獲得鎖，釋放鎖很簡單，只要刪除前面它自己所創建的目錄節點就行了。

圖 4. Zookeeper 實現 Locks 的流程圖

同步鎖的實現代碼如下，完整的代碼請看附件：

清單 4. 同步鎖的關鍵代碼

void getLock() throws KeeperException, InterruptedException{
List<``String``> list = zk.getChildren(root, false);
String[] nodes = list.toArray(new String[list.size()]);
Arrays.sort(nodes);
if(myZnode.equals(root+"/"+nodes[0])){
doAction();
}
else{
waitForLock(nodes[0]);
}
}
void waitForLock(String lower) throws InterruptedException, KeeperException {
Stat stat = zk.exists(root + "/" + lower,true);
if(stat != null){
mutex.wait();
}
else{
getLock();
}
}

隊列管理

Zookeeper 可以處理兩種類型的隊列：

1. 當一個隊列的成員都聚齊時，這個隊列才可用，否則一直等待所有成員到達，這種是同步隊列。

2. 隊列按照 FIFO 方式進行入隊和出隊操作，例如實現生產者和消費者模型。

同步隊列用 Zookeeper 實現的實現思路如下：

創建一個父目錄 /synchronizing，每個成員都監控標誌（Set Watch）位目錄 /synchronizing/start 是否存在，然後每個成員都加入這個隊列，加入隊列的方式就是創建 /synchronizing/member_i 的臨時目錄節點，然後每個成員獲取 / synchronizing 目錄的所有目錄節點，也就是 member_i。判斷 i 的值是否已經是成員的個數，如果小於成員個數等待 /synchronizing/start 的出現，如果已經相等就創建 /synchronizing/start。

用下麵的流程圖更容易理解：

圖 5. 同步隊列流程圖

同步隊列的關鍵代碼如下，完整的代碼請看附件：

清單 5. 同步隊列

void addQueue() throws KeeperException, InterruptedException{
zk.exists(root + "/start",true);
zk.create(root + "/" + name, new byte[0], Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
synchronized (mutex) {
List<``String``> list = zk.getChildren(root, false);
if (list.size() < size) {
mutex.wait();
} else {
zk.create(root + "/start", new byte[0], Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT);
}
}
}

當隊列沒滿是進入 wait()，然後會一直等待 Watch 的通知，Watch 的代碼如下：

public void process(WatchedEvent event) {
if(event.getPath().equals(root + "/start") &&
event.getType() == Event.EventType.NodeCreated){
System.out.println("得到通知");
super.process(event);
doAction();
}
}

FIFO 隊列用 Zookeeper 實現思路如下：

實現的思路也非常簡單，就是在特定的目錄下創建 SEQUENTIAL 類型的子目錄 /queue_i，這樣就能保證所有成員加入隊列時都是有編號的，出隊列時通過 getChildren( ) 方法可以返回當前所有的隊列中的元素，然後消費其中最小的一個，這樣就能保證 FIFO。

下麵是生產者和消費者這種隊列形式的示例代碼，完整的代碼請看附件：

清單 6. 生產者代碼

boolean produce(int i) throws KeeperException, InterruptedException{
ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(4);
byte[] value;
b.putInt(i);
value = b.array();
zk.create(root + "/element", value, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL);
return true;
}

清單 7. 消費者代碼

int consume() throws KeeperException, InterruptedException{
int retvalue = -1;
Stat stat = null;
while (true) {
synchronized (mutex) {
List<``String``> list = zk.getChildren(root, true);
if (list.size() == 0) {
mutex.wait();
} else {
Integer min = new Integer(list.get(0).substring(7));
for(String s : list){
Integer tempValue = new Integer(s.substring(7));
if(tempValue < min) min = tempValue;
}
byte[] b = zk.getData(root + "/element" + min,false, stat);
zk.delete(root + "/element" + min, 0);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(b);
retvalue = buffer.getInt();
return retvalue;
}
}
}
}

總結

Zookeeper 作為 Hadoop 項目中的一個子項目，是 Hadoop 集群管理的一個必不可少的模塊，它主要用來控制集群中的數據，如它管理 Hadoop 集群中的 NameNode，還有 Hbase 中 Master Election、Server 之間狀態同步等。

本文介紹的 Zookeeper 的基本知識，以及介紹了幾個典型的應用場景。這些都是 Zookeeper 的基本功能，最重要的是 Zoopkeeper 提供了一套很好的分散式集群管理的機制，就是它這種基於層次型的目錄樹的數據結構，並對樹中的節點進行有效管理，從而可以設計出多種多樣的分散式的數據管理模型，而不僅僅局限於上面提到的幾個常用應用場景。