9.1 Zookeeper API

Zookeeper里面我最感兴趣的事情是它的API设计。Zookeeper的API设计使得它可以成为一个通用的服务，从而分担一个分布式系统所需要的大量工作。那么为什么Zookeeper的API是一个好的设计？具体来看，因为它实现了一个值得去了解的概念：mini-transaction。

我们回忆一下Zookeeper的特点：

• Zookeeper基于（类似于）Raft框架，所以我们可以认为它是，当然它的确是容错的，它在发生网络分区的时候，也能有正确的行为。

• 当我们在分析各种Zookeeper的应用时，我们也需要记住Zookeeper有一些性能增强，使得读请求可以在任何副本被处理，因此，可能会返回旧数据。

• 另一方面，Zookeeper可以确保一次只处理一个写请求，并且所有的副本都能看到一致的写请求顺序。这样，所有副本的状态才能保证是一致的（写请求会改变状态，一致的写请求顺序可以保证状态一致）。

• 由一个客户端发出的所有读写请求会按照客户端发出的顺序执行。

• 一个特定客户端的连续请求，后来的请求总是能看到相比较于前一个请求相同或者更晚的状态（详见8.5 FIFO客户端序列）。

在我深入探讨Zookeeper的API长什么样和为什么它是有用的之前，我们可以考虑一下，Zookeeper的目标是解决什么问题，或者期望用来解决什么问题？

• 对于我来说，使用Zookeeper的一个主要原因是，它可以是一个VMware FT所需要的Test-and-Set服务（详见4.7）的实现。Test-and-Set服务在发生主备切换时是必须存在的，但是在VMware FT论文中对它的描述却又像个谜一样，论文里没有介绍：这个服务究竟是什么，它是容错的吗，它能容忍网络分区吗？Zookeeper实际的为我们提供工具来写一个容错的，完全满足VMware FT要求的Test-and-Set服务，并且可以在网络分区时，仍然有正确的行为。这是Zookeeper的核心功能之一。

• 使用Zookeeper还可以做很多其他有用的事情。其中一件是，人们可以用它来发布其他服务器使用的配置信息。例如，向某些Worker节点发布当前Master的IP地址。

• 另一个Zookeeper的经典应用是选举Master。当一个旧的Master节点故障时，哪怕说出现了网络分区，我们需要让所有的节点都认可同一个新的Master节点。

• 如果新选举的Master需要将其状态保持到最新，比如说GFS的Master需要存储对于一个特定的Chunk的Primary节点在哪，现在GFS的Master节点可以将其存储在Zookeeper中，并且知道Zookeeper不会丢失这个信息。当旧的Master崩溃了，一个新的Master被选出来替代旧的Master，这个新的Master可以直接从Zookeeper中读出旧Master的状态。

• 其他还有，对于一个类似于MapReduce的系统，Worker节点可以通过在Zookeeper中创建小文件来注册自己。

• 同样还是类似于MapReduce这样的系统，你可以设想Master节点通过向Zookeeper写入具体的工作，之后Worker节点从Zookeeper中一个一个的取出工作，执行，完成之后再删除工作。

以上就是Zookeeper可以用来完成的工作。

学生提问：Zookeeper应该如何应用在这些场景中？

Robert教授：通常来说，如果你有一个大的数据中心，并且在数据中心内运行各种东西，比如说Web服务器，存储系统，MapReduce等等。你或许会想要再运行一个包含了5个或者7个副本的Zookeeper集群，因为它可以用在很多场景下。之后，你可以部署各种各样的服务，并且在设计中，让这些服务存储一些关键的状态到你的全局的Zookeeper集群中。

Zookeeper的API某种程度上来说像是一个文件系统。它有一个层级化的目录结构，有一个根目录（root），之后每个应用程序有自己的子目录。比如说应用程序1将自己的文件保存在APP1目录下，应用程序2将自己的文件保存在APP2目录下，这些目录又可以包含文件和其他的目录。

这么设计的一个原因刚刚也说过，Zookeeper被设计成要被许多可能完全不相关的服务共享使用。所以我们需要一个命名系统来区分不同服务的信息，这样这些信息才不会弄混。对于每个使用Zookeeper的服务，围绕着文件，有很多很方便的方法来使用Zookeeper。我们在接下来几个小节会看几个例子。

所以，Zookeeper的API看起来像是一个文件系统，但是又不是一个实际的文件系统，比如说你不能mount一个文件，你不能运行ls和cat这样的命令等等。这里只是在内部，以这种路径名的形式命名各种对象。假设应用程序2下面有X，Y，Z这些文件。当你通过RPC向Zookeeper请求数据时，你可以直接指定/APP2/X。这就是一种层级化的命名方式。

这里的文件和目录都被称为znodes。Zookeeper中包含了3种类型的znode，了解他们对于解决问题会有帮助。

1. 第一种Regular znodes。这种znode一旦创建，就永久存在，除非你删除了它。

2. 第二种是Ephemeral znodes。如果Zookeeper认为创建它的客户端挂了，它会删除这种类型的znodes。这种类型的znodes与客户端会话绑定在一起，所以客户端需要时不时的发送心跳给Zookeeper，告诉Zookeeper自己还活着，这样Zookeeper才不会删除客户端对应的ephemeral znodes。

3. 最后一种类型是Sequential znodes。它的意思是，当你想要以特定的名字创建一个文件，Zookeeper实际上创建的文件名是你指定的文件名再加上一个数字。当有多个客户端同时创建Sequential文件时，Zookeeper会确保这里的数字不重合，同时也会确保这里的数字总是递增的。

这些在后面的例子中都会有介绍。

Zookeeper以RPC的方式暴露以下API。

• CREATE(PATH，DATA，FLAG)。入参分别是文件的全路径名PATH，数据DATA，和表明znode类型的FLAG。这里有意思的是，CREATE的语义是排他的。也就是说，如果我向Zookeeper请求创建一个文件，如果我得到了yes的返回，那么说明这个文件之前不存在，我是第一个创建这个文件的客户端；如果我得到了no或者一个错误的返回，那么说明这个文件之前已经存在了。所以，客户端知道文件的创建是排他的。在后面有关锁的例子中，我们会看到，如果有多个客户端同时创建同一个文件，实际成功创建文件（获得了锁）的那个客户端是可以通过CREATE的返回知道的。

• DELETE(PATH，VERSION)。入参分别是文件的全路径名PATH，和版本号VERSION。有一件事情我之前没有提到，每一个znode都有一个表示当前版本号的version，当znode有更新时，version也会随之增加。对于delete和一些其他的update操作，你可以增加一个version参数，表明当且仅当znode的当前版本号与传入的version相同，才执行操作。当存在多个客户端同时要做相同的操作时，这里的参数version会非常有帮助（并发操作不会被覆盖）。所以，对于delete，你可以传入一个version表明，只有当znode版本匹配时才删除。

• EXIST(PATH，WATCH)。入参分别是文件的全路径名PATH，和一个有趣的额外参数WATCH。通过指定watch，你可以监听对应文件的变化。不论文件是否存在，你都可以设置watch为true，这样Zookeeper可以确保如果文件有任何变更，例如创建，删除，修改，都会通知到客户端。此外，判断文件是否存在和watch文件的变化，在Zookeeper内是原子操作。所以，当调用exist并传入watch为true时，不可能在Zookeeper实际判断文件是否存在，和建立watch通道之间，插入任何的创建文件的操作，这对于正确性来说非常重要。

• GETDATA(PATH，WATCH)。入参分别是文件的全路径名PATH，和WATCH标志位。这里的watch监听的是文件的内容的变化。

• SETDATA(PATH，DATA，VERSION)。入参分别是文件的全路径名PATH，数据DATA，和版本号VERSION。如果你传入了version，那么Zookeeper当且仅当文件的版本号与传入的version一致时，才会更新文件。

• LIST(PATH)。入参是目录的路径名，返回的是路径下的所有文件。