ZooKeeper开发实际应用案例实战

目录

• 项目背景介绍
• 面临问题
• 如何解决
• 代码讲解
• 数据服务器
• 检索服务器
• 总结
• 附：完整代码
• 数据服务端代码
• 检索服务端代码

项目背景介绍

首先给大家介绍一下本文描述项目的情况。这是一个检索网站，它让你能在几千万份复杂文档数据中检索出你所需要的文档数据。为了加快检索速度，项目的数据分布在100台机器的内存里，我们称之为数据服务器。除了数据，这100台机器上均部署着检索程序。这些server之外，还有数台给前端提供接口的搜索server，这些机器属一个集群，我们称之为检索服务器。当搜索请求过来时，他们负责把搜索请求转发到那100台机器，待所有机器返回结果后进行合并，最终返回给前端页面。结构如下图：

面临问题

网站上线之初，由于数据只有几百万，所以数据服务器只有10多台。是一个规模比较小的分布式系统，当时没有做分布式系统的协调，也能正常工作，偶尔出问题，马上解决。但是到了近期，机器增长到100台，网站几乎每天都会出现问题，导致整个分布式系统挂掉。问题原因如下：

数据服务器之前没有做分布式协调。对于检索服务器来说，并不知道哪些数据服务器还存活，所以检索服务器每次检索，都会等待100台机器返回结果。但假如100台数据服务中某一台死掉了，检索服务器也会长时间等待他的返回。这导致了检索服务器积累了大量的请求，最终被压垮。当所有的检索服务器都被压垮时，那么网站也就彻底不可用了。

问题的本质为检索服务器维护的数据服务器列表是静态不变的，不能感知数据服务器的上下线。

在10台数据服务器的时候，某一台机器出问题的概率很小。但当增长到100台服务器时，出问题的概率变成了10倍。所以才会导致网站几乎每天都要死掉一次。

由于一台机器的问题，导致100台机器的分布式系统不可用，这是极其不合理，也是无法忍受的。

之前此项目的数据和检索不由我负责。了解到此问题的时候，我觉得这个问题得立刻解决，否则不但用户体验差，而且开发和运维也要每天疲于系统维护，浪费了大量资源，但由于还有很多新的需求在开发，原来的团队也没时间去处理。今年我有机会来解决这个问题，当时正好刚刚研究完zookeeper，立刻想到这正是采用zookeeper的典型场景。

如何解决

我直接说方案，程序分为数据服务器和检索服务器两部分。

数据服务器：

1、每台数据服务器启动时候以临时节点的形式把自己注册到zookeeper的某节点下，如/data_servers。这样当某数据服务器死掉时，session断开链接，该节点被删除。

检索服务器：

1、启动时，加载/data_servers下所有子节点数据，获取了目前所有能提供服务的数据服务器列表，并且加载到内存中。

2、启动时，同时监听/data_servers节点，当新的数据server上线或者某个server下线时，获得通知，然后重新加载/data_servers下所有子节点数据，刷新内存中数据服务器列表。

通过以上方案，做到数据服务器上下线时，检索服务器能够动态感知。检索服务器在检索前，从内存中取得的数据服务器列表将是最新的、可用的。即使在刷新时间差内取到了掉线的数据服务器也没关系，最多影响本次查询，而不会拖垮整个集群。见下图：

代码讲解

捋清思路后，其实代码就比较简单了。数据服务器只需要启动的时候写zookeeper临时节点就好了，同时写入自己服务器的相关信息，比如ip、port之类。检索无服务器端会稍微复杂点，不过此处场景和zookeeper官方给的例子十分符合，所以我直接参考官方例子进行修改，实现起来也很简单。关于官方例子我写过两篇博文，可以参考学习：

zookeeper官方例子翻译：ZooKeeper官方文档之Java客户端开发案例翻译

zookeeper官方例子解读：ZooKeeper官方文档之Java案例解读

数据服务器

数据服务器程序十分简单，只会做一件事情：启动的时候，把自己以临时节点的形式注册到zookeeper。一旦服务器挂掉，zookeeper自动删除临时znode。

我们创建ServiceRegister.java实现Runnable，数据服务启动的时候，单独线程运行此代码，实现注册到zookeeper逻辑。维系和zookeeper的链接。

检索服务器

检索服务器，代码设计完全采用官方案例，所以详细的代码解读请参考上面提到的两篇文章，这里只做下简述。

代码有两个类DataMonitor和LoadSaidsExecutor。LoadSaidsExecutor是启动入口，他来启动DataMonitor监控zookeeper节点变化。DataMonitor负责监控，初次启动和发现变化时，调用LoadSaidsExecutor的方法来加载最新的数据服务器列表信息。

DataMonitor和LoadSaidsExecutor的工作流程如下：

Excutor把自己注册为DataMonitor的监听

DataMonitor实现watcher接口，并监听znode

znode变化时，触发DataMonitor的监听

回调回调中通过ZooKeeper.exist() 再次监听znode

上一步exist的回调方法中，调用监听自己的Executor，执行业务逻辑6

Executor启新的线程加载数据服务器信息到内存中

注意：图为以前文章配图。图里应该把6，7步改为文字描述的第6步。

检索服务启动的时候，单独线程运行LoadSaIdsExecutor。LoadSaIdsExecutor会阻塞线程，转为事件驱动。

总结

我们通过一个例子，展示了zookeeper在实际系统中的应用，通过zookeeper解决了分布式系统的问题。其实以上代码还有很大的优化空间。我能想到如下两点：

1、数据服务器会假死或者变慢，但和zk链接还在，并不会从zk中删除，但已经拖慢了集群的速度。解决此问题，我们可以在数据服务器中加入定时任务，通过定时跑真实业务查询，监控服务器状态，一旦达到设定的红线阈值，强制下线，而不是等到server彻底死掉。

2、检索服务器每个server都监控zookeeper同一个节点，在节点变化时会出现羊群效应。当然，检索服务器如果数量不多还好。其实检索服务器应该通过zookeeper做一个leader选举，只由leader去监控zookeeper节点变化，更新redis中的数据服务器列表缓存即可。

附：完整代码

数据服务端代码

ServiceRegister.java

public class ServiceRegister implements Runnable{
    private ZooKeeper zk;
    private static final String ZNODE = "/sas";
    private static final String SA_NODE_PREFIX = "sa_";
    private String hostName="localhost:2181";
    public void setHostName(String hostName) {
        this.hostName = hostName;
    }
     public ServiceRegister() throws IOException {
        zk = new ZooKeeper(hostName, 10000,null);
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
             createSaNode();
            synchronized (this) {
                wait();
            }

        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //测试用
    public static void main(String[] args){
        try {
            new ServiceRegister().run();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //创建子节点
    private String createSaNode() throws KeeperException, InterruptedException {
        // 如果根节点不存在，则创建根节点
        Stat stat = zk.exists(ZNODE, false);
        if (stat == null) {
            zk.create(ZNODE, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
        }

        String hostName = System.getenv("HOSTNAME");
        // 创建EPHEMERAL_SEQUENTIAL类型节点
        String saPath = zk.create(ZNODE + "/" + SA_NODE_PREFIX,
                hostName.getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
                CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        return saPath;
    }
}

检索服务端代码

DataMonitor.java

public class DataMonitor implements Watcher, AsyncCallback.ChildrenCallback {
    ZooKeeper zk;
    String znode;
    Watcher chainedWatcher;
    boolean dead;
    DataMonitorListener listener;
     List<String> prevSaIds;
     public DataMonitor(ZooKeeper zk, String znode, Watcher chainedWatcher,
                       DataMonitorListener listener) {
        this.zk = zk;
        this.znode = znode;
        this.chainedWatcher = chainedWatcher;
        this.listener = listener;
        // 这是整个监控的真正开始，通过获取children节点开始。设置了本对象为监控对象，回调对象也是本对象。以后均是事件驱动。
        zk.getChildren(znode, true, this, null);
    }

    /**
     * 其他和monitor产生交互的类，需要实现此listener
     */
    public interface DataMonitorListener {
        /**
         * The existence status of the node has changed.
         */
        void changed(List<String> saIds);

        /**
         * The ZooKeeper session is no longer valid.
         *
         * @param rc
         *                the ZooKeeper reason code
         */
        void closing(int rc);
    }

   /*
    *监控/saids的回调函数。除了处理异常外。
    *如果发生变化，和构造函数中一样，通过getChildren，再次监控，并处理children节点变化后的业务
    */
    public void process(WatchedEvent event) {
        String path = event.getPath();
        if (event.getType() == Event.EventType.None) {
            // We are are being told that the state of the
            // connection has changed
            switch (event.getState()) {
                case SyncConnected:
                    // In this particular example we don't need to do anything
                    // here - watches are automatically re-registered with
                    // server and any watches triggered while the client was
                    // disconnected will be delivered (in order of course)
                    break;
                case Expired:
                    // It's all over
                    dead = true;
                    listener.closing(Code.SESSIONEXPIRED.intValue());
                    break;
            }
        } else {
            if (path != null && path.equals(znode)) {
                // Something has changed on the node, let's find out
                zk.getChildren(znode, true, this, null);
            }
        }
        if (chainedWatcher != null) {
            chainedWatcher.process(event);
        }
    }

    //拿到Children节点后的回调函数。
    @Override
    public void processResult(int rc, String path, Object ctx, List<String> children) {
        boolean exists;
        switch (rc) {
            case Code.Ok:
                exists = true;
                break;
            case Code.NoNode:
                exists = false;
                break;
            case Code.SessionExpired:
            case Code.NoAuth:
                dead = true;
                listener.closing(rc);
                return;
            default:
                // Retry errors
                zk.getChildren(znode, true, this, null);
                return;
        }

        List<String> saIds = null;

        //如果存在，再次查询到最新children，此时仅查询，不要设置监控了
        if (exists) {
            try {
                saIds = zk.getChildren(znode,null);
            } catch (KeeperException e) {
                // We don't need to worry about recovering now. The watch
                // callbacks will kick off any exception handling
                e.printStackTrace();
            } catch (InterruptedException e) {
                return;
            }
        }

        //拿到最新saids后，通过listener（executor），加载Saids。
        if ((saIds == null && saIds != prevSaIds)
                || (saIds != null && !saIds.equals(prevSaIds))) {
            listener.changed(saIds);
            prevSaIds = saIds;
        }
    }
}

LoadSaIdsExecutor.java

public class LoadSaIdsExecutor
        implements Watcher, Runnable, DataMonitor.DataMonitorListener
{

    private DataMonitor dm;
    private ZooKeeper zk;
    private static final String znode = "/sas";
    private String hostName="localhost:2181";
    public void setHostName(String hostName) {
        this.hostName = hostName;
    }

        /*
         *初始化zookeeper及DataMonitor
         * 自己作为zookeeper的监控者，监控和zookeeper连接的变化
         * 自己作为DataMonitor的listener。当dm监控到变化时会调用executor执行业务操作
         */
    public LoadSaIdsExecutor() throws KeeperException, IOException {
        zk = new ZooKeeper(hostName, 300000, this);
        dm = new DataMonitor(zk, znode, null, this);
    }

    /**
     * 入口方法,测试用。
     */
    public static void main(String[] args) {
        try {
            new LoadSaIdsExecutor().run();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    /**
     * 作为单独线程运行
     */
    public void run() {
        try {
            synchronized (this) {
                while (!dm.dead) {
                    wait();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }
    /*
     *作为zookeeper监控者的回调，直接传递事件给monitor的回调函数统一处理
     */
    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        dm.process(event);
    }
    /*
     *当关闭时，让线程线继续走完
     */
    public void closing(int rc) {
        synchronized (this) {
            notifyAll();
        }
    }

    /*
     *监控到/saids变化后的处理类
     */
    static class SaIdsLoader extends Thread {
         List<String> saIds = null;
        //构造对象后直接启动线程
        public SaIdsLoader(List<String> saIds){
            this.saIds = saIds;
            start();
        }

        public void run() {
            System.out.println("------------加载开始------------");
            //业务处理的地方
            if(saIds!=null){
                saIds.forEach(id->{
                    System.out.println(id);
                });
            }
            System.out.println("------------加载结束------------");
        }
    }

    /*
     *作为listener对外暴露的方法，在节点/saids变化时被调用。
     */
    @Override
    public void changed(List<String> data) {
                new SaIdsLoader(data);
    }
}

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