Zookeeper（26）Zookeeper的ZAB协议是什么？

Zookeeper 的 ZAB 协议（Zookeeper Atomic Broadcast）是 Zookeeper 保证数据一致性和高可用性的核心协议。ZAB 协议主要用于在分布式系统中提供原子广播和一致性保证。它的设计目标是确保在任何时候，集群中的所有节点都能看到相同的事务更新顺序，从而保证数据的一致性。

ZAB 协议详细介绍

ZAB 协议由两个主要部分组成：

1. Leader 选举：

   • 当 Zookeeper 集群启动时，或当前 Leader 失效时，集群会进行 Leader 选举。选举的结果是选出一个新的 Leader，负责处理所有的写请求和事务广播。
   • 选举过程通过交换投票信息进行，每个节点都会根据收到的投票信息进行判断和更新，最终达成一致。

2. 消息广播：

   • 同步阶段：新选出的 Leader 会与 Follower 节点进行数据同步，确保所有节点的数据状态一致。
   • 广播阶段：在同步完成后，Leader 开始处理客户端的写请求，并将事务广播给所有 Follower 节点。每个 Follower 在接收到事务后，会进行持久化存储并发送确认消息给 Leader。
   • 提交阶段：当 Leader 收到超过半数（Quorum）的确认消息后，认为事务提交成功，并将提交消息广播给所有 Follower 节点。

代码示例

以下代码示例展示了如何使用 Zookeeper 客户端进行事务广播的模拟，重点体现 ZAB 协议的应用。

1. 添加 Maven 依赖

在 pom.xml 中添加 Zookeeper 客户端的依赖：

<dependency>
    <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
    <artifactId>zookeeper</artifactId>
    <version>3.6.3</version>
</dependency>

2. 事务广播模拟

以下代码示例展示了如何使用 Zookeeper 客户端进行事务广播的模拟。

import org.apache.zookeeper.*;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;

import java.io.IOException;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class ZabProtocolExample implements Watcher {
    private static final String ZK_ADDRESS = "localhost:2181,localhost:2182,localhost:2183";
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 3000;
    private static final String ELECTION_NAMESPACE = "/election";
    private static final String TRANSACTION_NAMESPACE = "/transaction";
    
    private ZooKeeper zooKeeper;
    private String currentNode;

    public void connect() throws IOException {
        zooKeeper = new ZooKeeper(ZK_ADDRESS, SESSION_TIMEOUT, this);
    }

    public void createElectionZNode() throws KeeperException, InterruptedException {
        String zNodePrefix = ELECTION_NAMESPACE + "/n_";
        currentNode = zooKeeper.create(zNodePrefix, new byte[]{}, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        System.out.println("Created znode: " + currentNode);
    }

    public void volunteerForLeadership() throws KeeperException, InterruptedException {
        List<String> children = zooKeeper.getChildren(ELECTION_NAMESPACE, false);
        Collections.sort(children);

        String smallestChild = children.get(0);
        if (currentNode.endsWith(smallestChild)) {
            System.out.println("I am the leader.");
            performTransaction();
            return;
        }

        String watchNode = null;
        for (int i = children.size() - 1; i >= 0; i--) {
            if (currentNode.endsWith(children.get(i))) {
                watchNode = children.get(i - 1);
                break;
            }
        }

        if (watchNode != null) {
            Stat stat = zooKeeper.exists(ELECTION_NAMESPACE + "/" + watchNode, this);
            if (stat == null) {
                volunteerForLeadership();
            } else {
                System.out.println("Watching node: " + watchNode);
            }
        }
    }

    public void performTransaction() throws KeeperException, InterruptedException {
        String transactionPath = TRANSACTION_NAMESPACE + "/txn_";
        String transactionNode = zooKeeper.create(transactionPath, new byte[]{}, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL);
        System.out.println("Transaction created: " + transactionNode);

        List<String> children = zooKeeper.getChildren(TRANSACTION_NAMESPACE, false);
        if (children.size() >= (3 / 2) + 1) {
            System.out.println("Transaction quorum reached. Committing transaction.");
            commitTransaction(transactionNode);
        } else {
            System.out.println("Transaction quorum not reached. Waiting for more nodes.");
        }
    }

    public void commitTransaction(String transactionNode) throws KeeperException, InterruptedException {
        System.out.println("Committing transaction: " + transactionNode);
        zooKeeper.setData(transactionNode, "committed".getBytes(), -1);
    }

    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        if (event.getType() == Event.EventType.NodeDeleted) {
            try {
                volunteerForLeadership();
            } catch (KeeperException | InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public void close() throws InterruptedException {
        if (zooKeeper != null) {
            zooKeeper.close();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ZabProtocolExample example = new ZabProtocolExample();
        example.connect();

        example.createElectionZNode();
        example.volunteerForLeadership();

        Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);

        example.close();
    }
}

详细解释

1. 连接 Zookeeper 集群：

   • 在 connect 方法中，创建一个新的 Zookeeper 客户端实例，并通过 Watcher 监听连接状态。

2. 创建选举节点：

   • 在 createElectionZNode 方法中，使用 zooKeeper.create 方法创建一个带有前缀的临时顺序节点。该节点用于选举过程中的排序和比较。

3. 参与选举：

   • 在 volunteerForLeadership 方法中，获取选举节点的子节点列表，并进行排序。
   • 如果当前节点是列表中的第一个节点，则当前节点成为 Leader，并调用 performTransaction 方法进行事务提交。
   • 否则，找到比当前节点小的前一个节点，并对其进行监听（Watcher）。如果前一个节点被删除（Leader 失效），则重新进行选举。

4. 事务广播：

   • 在 performTransaction 方法中，创建一个事务节点，并检查事务节点的数量是否达到 Quorum。如果达到 Quorum，则提交事务；否则，等待更多节点加入。
   • 在 commitTransaction 方法中，模拟事务提交，将事务节点的数据标记为 "committed"。

5. 事件处理：

   • 在 process 方法中，处理节点删除事件（前一个节点被删除），重新进行选举。

6. 关闭连接：

   • 在 close 方法中，关闭 Zookeeper 客户端连接。

总结

Zookeeper 的 ZAB 协议通过确保在 Leader 选举和事务广播过程中超过半数的节点达成一致，实现了数据的一致性和高可用性。通过上述代码示例，可以了解如何使用 Zookeeper 客户端进行事务广播的模拟，重点体现 ZAB 协议的应用，包括连接集群、创建选举节点、参与选举、处理事件以及事务广播和提交。