Zookeeper 面试题解析

请简述 Zookeeper 的选举机制？

假设有五台服务器组成的 Zookeeper 集群，它们的 id 从 1-5，同时它们都是最新启动的，也就是没有历史数据，在存放数据量这一点上，都是一样的。假设这些服务器依序启动，来看看会发生什么。

服务器 1 启动，此时只有它一台服务器启动了，它发出去的报没有任何响应，所以它的选举状态一直是 LOOKING 状态；
服务器 2 启动，它与最开始启动的服务器 1 进行通信，互相交换自己的选举结果，由于两者都没有历史数据，所以 id 值较大的服务器 2 胜出，但是由于没有达到超过半数以上的服务器都同意选举它(这个例子中的半数以上是 3)，所以服务器 1、2 还是继续保持 LOOKING 状态；
服务器 3 启动，根据前面的理论分析，服务器 3 成为服务器 1、2、3 中的 Leader，而与上面不同的是，此时有三台服务器选举了它，所以它成为了这次选举的 Leader；
服务器 4 启动，根据前面的分析，理论上服务器 4 应该是服务器 1、2、3、4 中最大的，但是由于前面已经有半数以上的服务器选举了服务器 3，所以它成为 Follower；
服务器 5 启动，同 4 一样成为 Follower。

注意：如果按照 5，4，3，2，1 的顺序启动，那么 5 将成为 Leader，因为在满足半数条件后，ZooKeeper 集群启动，5 的 Id 最大，被选举为 Leader。

客户端如何正确处理 CONNECTIONLOSS（连接断开）和 SESSIONEXPIRED（Session 过期）两类连接异常？

在 ZooKeeper 中，服务器和客户端之间维持的是一个长连接，在 SESSION_TIMEOUT 时间内，服务器会确定客户端是否正常连接（客户端会定时向服务器发送 heart_beat），服务器重置下次 SESSION_TIMEOUT 时间。因此，在正常情况下，Session 一直有效，并且 ZK 集群所有机器上都保存这个 Session 信息。在出现问题的情况下，客户端与服务器之间连接断了（客户端所连接的那台 ZK 机器挂了，或是其它原因的网络闪断），这个时候客户端会主动在地址列表（初始化的时候传入构造方法的那个参数 connectString）中选择新的地址进行连接。

以上即为服务器与客户端之间维持长连接的过程，在这个过程中，用户可能会看到两类异常 CONNECTIONLOSS（连接断开）和 SESSIONEXPIRED（Session 过期）。

发生 CONNECTIONLOSS 后，此时用户不需要关心我的会话是否可用，应用所要做的就是等待客户端帮我们自动连接上新的 ZK 机器，一旦成功连接上新的 ZK 机器后，确认之前的操作是否执行成功了。

一个客户端修改了某个节点的数据，其他客户端能够马上获取到这个最新数据吗？

ZooKeeper 不能确保任何客户端能够获取（即 Read Request）到一样的数据，除非客户端自己要求，方法是客户端在获取数据之前调用 org.apache.zookeeper.AsyncCallback.VoidCallback, java.lang.Object) sync。

通常情况下（这里所说的通常情况满足：1. 对获取的数据是否是最新版本不敏感，2. 一个客户端修改了数据，其它客户端是否需要立即能够获取最新数据），可以不关心这点。
在其它情况下，最清晰的场景是这样：ZK 客户端 A 对 /my_test 的内容从 v1->v2, 但是 ZK 客户端 B 对 /my_test 的内容获取，依然得到的是 v1。请注意，这个是实际存在的现象，当然延时很短。解决的方法是客户端 B 先调用 sync(), 再调用 getData()。

ZooKeeper 对节点的 watch 监听是永久的吗？为什么？

不是。

官方声明：一个 Watch 事件是一个一次性的触发器，当被设置了 Watch 的数据发生了改变的时候，则服务器将这个改变发送给设置了 Watch 的客户端，以便通知它们。

为什么不是永久的，举个例子，如果服务端变动频繁，而监听的客户端很多情况下，每次变动都要通知到所有的客户端，这太消耗性能了。

一般是客户端执行 getData("/节点 A",true)，如果节点 A 发生了变更或删除，客户端会得到它的 watch 事件，但是在之后节点 A 又发生了变更，而客户端又没有设置 watch 事件，就不再给客户端发送。

在实际应用中，很多情况下，我们的客户端不需要知道服务端的每一次变动，我只要最新的数据即可。

ZooKeeper 中使用 watch 的注意事项有哪些？

使用 watch 需要注意的几点：

Watches 通知是一次性的，必须重复注册。
发生 CONNECTIONLOSS 之后，只要在 session_timeout 之内再次连接上（即不发生 SESSIONEXPIRED），那么这个连接注册的 watches 依然在。
节点数据的版本变化会触发 NodeDataChanged，注意，这里特意说明了是版本变化。存在这样的情况，只要成功执行了 setData() 方法，无论内容是否和之前一致，都会触发 NodeDataChanged。
对某个节点注册了 watch，但是节点被删除了，那么注册在这个节点上的 watches 都会被移除。
同一个 ZK 客户端对某一个节点注册相同的 watch，只会收到一次通知。
Watcher 对象只会保存在客户端，不会传递到服务端。

能否收到每次节点变化的通知？

如果节点数据的更新频率很高的话，不能。

原因在于：当一次数据修改，通知客户端，客户端再次注册 watch，在这个过程中，可能数据已经发生了许多次数据修改，因此，千万不要做这样的测试：“数据被修改了 n 次，一定会收到 n 次通知”来测试 server 是否正常工作。

能否为临时节点创建子节点？

ZooKeeper 中不能为临时节点创建子节点，如果需要创建子节点，应该将要创建子节点的节点创建为永久性节点。

是否可以拒绝单个 IP 对 ZooKeeper 的访问？

如何实现？ZK 本身不提供这样的功能，它仅仅提供了对单个 IP 的连接数的限制。你可以通过修改 iptables 来实现对单个 ip 的限制。

创建的临时节点什么时候会被删除，是连接一断就删除吗？

延时是多少？连接断了之后，ZK 不会马上移除临时数据，只有当 SESSIONEXPIRED 之后，才会把这个会话建立的临时数据移除。因此，用户需要谨慎设置 Session_TimeOut。

ZooKeeper 是否支持动态进行机器扩容？如果目前不支持，那么要如何扩容呢？

ZooKeeper 中的动态扩容其实就是水平扩容，Zookeeper 对这方面的支持不太好，目前有两种方式：

全部重启：关闭所有 Zookeeper 服务，修改配置之后启动，不影响之前客户端的会话。
逐个重启：这是比较常用的方式。

ZooKeeper 集群中服务器之间是怎样通信的？

Leader 服务器会和每一个 Follower/Observer 服务器都建立 TCP 连接，同时为每个 F/O 都创建一个叫做 LearnerHandler 的实体。LearnerHandler 主要负责 Leader 和 F/O 之间的网络通讯，包括数据同步，请求转发和 Proposal 提议的投票等。Leader 服务器保存了所有 F/O 的 LearnerHandler。

ZooKeeper 是否会自动进行日志清理？

如何进行日志清理？ZK 自己不会进行日志清理，需要运维人员进行日志清理。

谈谈你对 ZooKeeper 的理解？

Zookeeper 作为一个分布式的服务框架，主要用来解决分布式集群中应用系统的一致性问题。ZooKeeper 提供的服务包括：分布式消息同步和协调机制、服务器节点动态上下线、统一配置管理、负载均衡、集群管理等。
ZooKeeper 提供基于类似于 Linux 文件系统的目录节点树方式的数据存储，即分层命名空间。Zookeeper 并不是用来专门存储数据的，它的作用主要是用来维护和监控你存储的数据的状态变化，通过监控这些数据状态的变化，从而可以达到基于数据的集群管理，ZooKeeper 节点的数据上限是 1MB。
我们可以认为 Zookeeper = 文件系统 + 通知机制，对于 ZooKeeper 的数据结构，每个子目录项如 NameService 都被称作为 znode，这个 znode 是被它所在的路径唯一标识，如 Server1 这个 znode 的标识为 /NameService/Server1；
znode 可以有子节点目录，并且每个 znode 可以存储数据，注意 EPHEMERAL 类型的目录节点不能有子节点目录（因为它是临时节点）；
znode 是有版本的，每个 znode 中存储的数据可以有多个版本，也就是一个访问路径中可以存储多份数据；
znode 可以是临时节点，一旦创建这个 znode 的客户端与服务器失去联系，这个 znode 也将自动删除，Zookeeper 的客户端和服务器通信采用长连接方式，每个客户端和服务器通过心跳来保持连接，这个连接状态称为 session，如果 znode 是临时节点，这个 session 失效，znode 也就删除了；
znode 的目录名可以自动编号，如 App1 已经存在，再创建的话，将会自动命名为 App2；
znode 可以被监控，包括这个目录节点中存储的数据的修改，子节点目录的变化等，一旦变化可以通知设置监控的客户端，这个是 Zookeeper 的核心特性，Zookeeper 的很多功能都是基于这个特性实现的，后面在典型的应用场景中会有实例介绍。

ZooKeeper 节点类型？

znode 有两种类型：
- 短暂（ephemeral）：客户端和服务器端断开连接后，创建的节点自己删除。
- 持久（persistent）：客户端和服务器端断开连接后，创建的节点不删除。
znode 有四种形式的目录节点（默认是 persistent）
- 持久化目录节点（PERSISTENT）客户端与 Zookeeper 断开连接后，该节点依旧存在。
- 持久化顺序编号目录节点（PERSISTENT_SEQUENTIAL）客户端与 Zookeeper 断开连接后，该节点依旧存在，只是 Zookeeper 给该节点名称进行顺序编号。
- 临时目录节点（EPHEMERAL）客户端与 Zookeeper 断开连接后，该节点被删除。
- 临时顺序编号目录节点（EPHEMERAL_SEQUENTIAL）客户端与 Zookeeper 断开连接后，该节点被删除，只是 Zookeeper 给该节点名称进行顺序编号。

请说明 ZooKeeper 的通知机制？

ZooKeeper 选择了基于通知（notification）的机制，即：客户端向 ZooKeeper 注册需要接受通知的 znode，通过 znode 设置监控点（watch）来接受通知。监视点是一个单次触发的操作，意即监视点会触发一个通知。为了接收多个通知，客户端必须在每次通知后设置一个新的监视点。在下图阐述的情况下，当节点 /task 发生变化时，客户端会受到一个通知，并从 ZooKeeper 读取一个新值。

ZooKeeper 的监听原理是什么？

在应用程序中，main() 方法首先会创建 zkClient，创建 zkClient 的同时就会产生两个进程，即 Listener 进程（监听进程）和 connect 进程（网络连接/传输进程），当 zkClient 调用 getChildren() 等方法注册监视器时，connect 进程向 ZooKeeper 注册监听器，注册后的监听器位于 ZooKeeper 的监听器列表中，监听器列表中记录了 zkClient 的 IP，端口号以及要监控的路径，一旦目标文件发生变化，ZooKeeper 就会把这条消息发送给对应的 zkClient 的 Listener() 进程，Listener 进程接收到后，就会执行 process() 方法，在 process() 方法中针对发生的事件进行处理。

请说明 ZooKeeper 使用到的各个端口的作用？

2888：Follower 与 Leader 交换信息的端口。
3888：万一集群中的 Leader 服务器挂了，需要一个端口来重新进行选举，选出一个新的 Leader，而这个端口就是用来执行选举时服务器相互通信的端口。

ZooKeeper 的部署方式有哪几种？集群中的角色有哪些？集群最少需要几台机器？

ZooKeeper 的部署方式有单机模式和集群模式，集群中的角色有 Leader 和 Follower，集群最少 3（2N+1）台，根据选举算法，应保证奇数。

ZooKeeper 集群如果有 3 台机器，挂掉一台是否还能工作？挂掉两台呢？

对于 ZooKeeper 集群，过半存活即可使用。

ZooKeeper 使用的 ZAB 协议与 Paxo 算法的异同？

Paxos 算法是分布式选举算法，Zookeeper 使用的 ZAB 协议（Zookeeper 原子广播），两者的异同如下：

相同之处：
比如都有一个 Leader，用来协调 N 个 Follower 的运行；Leader 要等待超半数的 Follower 做出正确反馈之后才进行提案；二者都有一个值来代表 Leader 的周期。
不同之处：
ZAB 用来构建高可用的分布式数据主备系统（Zookeeper），Paxos 是用来构建分布式一致性状态机系统。

请谈谈对 ZooKeeper 对事务性的支持？

ZooKeeper 对于事务性的支持主要依赖于四个函数，zoo_create_op_init，zoo_delete_op_init，zoo_set_op_init 以及 zoo_check_op_init。

每一个函数都会在客户端初始化一个 operation，客户端程序有义务保留这些operations。当准备好一个事务中的所有操作后，可以使用 zoo_multi 来提交所有的操作，由 Zookeeper 服务来保证这一系列操作的原子性。也就是说只要其中有一个操作失败了，相当于此次提交的任何一个操作都没有对服务端的数据造成影响。zoo_multi 的返回值是第一个失败操作的状态信号。