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深入浅出Zookeeper(二) 基于Zookeeper的分布式锁与领导选举

基于 Zookeeper 的领导选举或者分布式锁的实现均基于 Zookeeper 节点的特性及通知机制。充分利用这些特性,还可以开发出适用于其它场景的分布式应用。

作者:郭俊|2018-01-25 19:01


一、Zookeeper特点

1. Zookeeper节点类型

如上文《Zookeeper架构及FastLeaderElection机制》所述,Zookeeper 提供了一个类似于 Linux 文件系统的树形结构。该树形结构中每个节点被称为 znode ,可按如下两个维度分类:

(1) Persist vs. Ephemeral

  • Persist节点,一旦被创建,便不会意外丢失,即使服务器全部重启也依然存在。每个 Persist 节点即可包含数据,也可包含子节点
  • Ephemeral节点,在创建它的客户端与服务器间的 Session 结束时自动被删除。服务器重启会导致 Session 结束,因此 Ephemeral 类型的 znode 此时也会自动删除

(2) Sequence vs. Non-sequence

  • Non-sequence节点,多个客户端同时创建同一 Non-sequence 节点时,只有一个可创建成功,其它匀失败。并且创建出的节点名称与创建时指定的节点名完全一样
  • Sequence节点,创建出的节点名在指定的名称之后带有10位10进制数的序号。多个客户端创建同一名称的节点时,都能创建成功,只是序号不同

2. Zookeeper语义保证

Zookeeper 简单高效,同时提供如下语义保证,从而使得我们可以利用这些特性提供复杂的服务。

  • 顺序性 客户端发起的更新会按发送顺序被应用到 Zookeeper 上
  • 原子性 更新操作要么成功要么失败,不会出现中间状态
  • 单一系统镜像 一个客户端无论连接到哪一个服务器都能看到完全一样的系统镜像(即完全一样的树形结构)。注:根据上文《Zookeeper架构及FastLeaderElection机制》介绍的 ZAB 协议,写操作并不保证更新被所有的 Follower 立即确认,因此通过部分 Follower 读取数据并不能保证读到最新的数据,而部分 Follwer 及 Leader 可读到最新数据。如果一定要保证单一系统镜像,可在读操作前使用 sync 方法。
  • 可靠性 一个更新操作一旦被接受即不会意外丢失,除非被其它更新操作覆盖
  • 最终一致性 写操作最终(而非立即)会对客户端可见

3. Zookeeper Watch机制

所有对 Zookeeper 的读操作,都可附带一个 Watch 。一旦相应的数据有变化,该 Watch 即被触发。Watch 有如下特点

  • 主动推送 Watch被触发时,由 Zookeeper 服务器主动将更新推送给客户端,而不需要客户端轮询。
  • 一次性 数据变化时,Watch 只会被触发一次。如果客户端想得到后续更新的通知,必须要在 Watch 被触发后重新注册一个 Watch。
  • 可见性 如果一个客户端在读请求中附带 Watch,Watch 被触发的同时再次读取数据,客户端在得到 Watch 消息之前肯定不可能看到更新后的数据。换句话说,更新通知先于更新结果。
  • 顺序性 如果多个更新触发了多个 Watch ,那 Watch 被触发的顺序与更新顺序一致。

二、分布式锁与领导选举关键点

1. 最多一个获取锁 / 成为Leader

对于分布式锁(这里特指排它锁)而言,任意时刻,最多只有一个进程(对于单进程内的锁而言是单线程)可以获得锁。

对于领导选举而言,任意时间,最多只有一个成功当选为Leader。否则即出现脑裂(Split brain)

2. 锁重入 / 确认自己是Leader

对于分布式锁,需要保证获得锁的进程在释放锁之前可再次获得锁,即锁的可重入性。

对于领导选举,Leader需要能够确认自己已经获得领导权,即确认自己是Leader。

3. 释放锁 / 放弃领导权

锁的获得者应该能够正确释放已经获得的锁,并且当获得锁的进程宕机时,锁应该自动释放,从而使得其它竞争方可以获得该锁,从而避免出现死锁的状态。

领导应该可以主动放弃领导权,并且当领导所在进程宕机时,领导权应该自动释放,从而使得其它参与者可重新竞争领导而避免进入无主状态。

4. 感知锁释放 / 领导权的放弃

当获得锁的一方释放锁时,其它对于锁的竞争方需要能够感知到锁的释放,并再次尝试获取锁。

原来的Leader放弃领导权时,其它参与方应该能够感知该事件,并重新发起选举流程。

5. 非公平领导选举

从上面几个方面可见,分布式锁与领导选举的技术要点非常相似,实际上其实现机制也相近。本章就以领导选举为例来说明二者的实现原理,分布式锁的实现原理也几乎一致。

6. 选主过程

假设有三个Zookeeper的客户端,如下图所示,同时竞争Leader。这三个客户端同时向Zookeeper集群注册Ephemeral且Non-sequence类型的节点,路径都为/zkroot/leader(工程实践中,路径名可自定义)。

如上图所示,由于是Non-sequence节点,这三个客户端只会有一个创建成功,其它节点均创建失败。此时,创建成功的客户端(即上图中的Client 1)即成功竞选为 Leader 。其它客户端(即上图中的Client 2和Client 3)此时匀为 Follower。

7. 放弃领导权

如果 Leader 打算主动放弃领导权,直接删除/zkroot/leader节点即可。

如果 Leader 进程意外宕机,其与 Zookeeper 间的 Session 也结束,该节点由于是Ephemeral类型的节点,因此也会自动被删除。

此时/zkroot/leader节点不复存在,对于其它参与竞选的客户端而言,之前的 Leader 已经放弃了领导权。

8. 感知领导权的放弃

由上图可见,创建节点失败的节点,除了成为 Follower 以外,还会向/zkroot/leader注册一个 Watch ,一旦 Leader 放弃领导权,也即该节点被删除,所有的 Follower 会收到通知。

9. 重新选举

感知到旧 Leader 放弃领导权后,所有的 Follower 可以再次发起新一轮的领导选举,如下图所示。

Unfair Leader Reelection

从上图中可见

  • 新一轮的领导选举方法与最初的领导选举方法完全一样,都是发起节点创建请求,创建成功即为 Leader,否则为 Follower ,且 Follower 会 Watch 该节点
  • 新一轮的选举结果,无法预测,与它们在第一轮选举中的顺序无关。这也是该方案被称为非公平模式的原因

10. 非公平模式总结

  • 非公平模式实现简单,每一轮选举方法都完全一样
  • 竞争参与方不多的情况下,效率高。每个 Follower 通过 Watch 感知到节点被删除的时间不完全一样,只要有一个 Follower 得到通知即发起竞选,即可保证当时有新的 Leader 被选出
  • 给Zookeeper 集群造成的负载大,因此扩展性差。如果有上万个客户端都参与竞选,意味着同时会有上万个写请求发送给 Zookeper。如《Zookeeper架构》一文所述,Zookeeper 存在单点写的问题,写性能不高。同时一旦 Leader 放弃领导权,Zookeeper 需要同时通知上万个 Follower,负载较大。

三、公平领导选举

1. 选主过程

如下图所示,公平领导选举中,各客户端均创建/zkroot/leader节点,且其类型为Ephemeral与Sequence。

Fair Leader Election

由于是Sequence类型节点,故上图中三个客户端均创建成功,只是序号不一样。此时,每个客户端都会判断自己创建成功的节点的序号是不是当前最小的。如果是,则该客户端为 Leader,否则即为 Follower。

在上图中,Client 1创建的节点序号为 1 ,Client 2创建的节点序号为 2,Client 3创建的节点序号为3。由于最小序号为 1 ,且该节点由Client 1创建,故Client 1为 Leader 。

2. 放弃领导权

Leader 如果主动放弃领导权,直接删除其创建的节点即可。

如果 Leader 所在进程意外宕机,其与 Zookeeper 间的 Session 结束,由于其创建的节点为Ephemeral类型,故该节点自动被删除。

3. 感知领导权的放弃

与非公平模式不同,每个 Follower 并非都 Watch 由 Leader 创建出来的节点,而是 Watch 序号刚好比自己序号小的节点。

在上图中,总共有 1、2、3 共三个节点,因此Client 2 Watch /zkroot/leader1,Client 3 Watch /zkroot/leader2。(注:序号应该是10位数字,而非一位数字,这里为了方便,以一位数字代替)

一旦 Leader 宕机,/zkroot/leader1被删除,Client 2可得到通知。此时Client 3由于 Watch 的是/zkroot/leader2,故不会得到通知。

4. 重新选举

Client 2得到/zkroot/leader1被删除的通知后,不会立即成为新的 Leader 。而是先判断自己的序号 2 是不是当前最小的序号。在该场景下,其序号确为最小。因此Client 2成为新的 Leader 。

Fair Leader Reelection

这里要注意,如果在Client 1放弃领导权之前,Client 2就宕机了,Client 3会收到通知。此时Client 3不会立即成为Leader,而是要先判断自己的序号 3 是否为当前最小序号。很显然,由于Client 1创建的/zkroot/leader1还在,因此Client 3不会成为新的 Leader ,并向Client 2序号 2 前面的序号,也即 1 创建 Watch。该过程如下图所示。

Fair Leader Exception

5. 公平模式总结

  • 实现相对复杂
  • 扩展性好,每个客户端都只 Watch 一个节点且每次节点被删除只须通知一个客户端
  • 旧 Leader 放弃领导权时,其它客户端根据竞选的先后顺序(也即节点序号)成为新 Leader,这也是公平模式的由来
  • 延迟相对非公平模式要高,因为它必须等待特定节点得到通知才能选出新的 Leader

四、总结

基于 Zookeeper 的领导选举或者分布式锁的实现均基于 Zookeeper 节点的特性及通知机制。充分利用这些特性,还可以开发出适用于其它场景的分布式应用。

【本文为51CTO专栏作者“郭俊”的原创稿件,转载请联系原作者】

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【责任编辑:赵宁宁 TEL:(010)68476606】

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