ZooKeeper 配置调优秘诀：提高性能、可扩展性和稳定性的完全指南 (zookeeper的主要功能)

引言

ZooKeeper 是一种开源分布式协调服务，广泛用于管理大规模分布式系统的配置和数据一致性。通过仔细的配置调优，可以显著提高ZooKeeper 的性能、可扩展性和稳定性。以下指南提供了针对不同部署场景和性能目标的全面配置调优策略。

ZooKeeper 的主要功能

在深入探讨配置调优之前，了解 ZooKeeper 的主要功能非常重要：配置管理：存储和管理分布式系统中的关键配置，确保所有组件具有最新设置。数据一致性：提供分布式锁和协调机制，确保多个组件之间的操作按预期顺序执行。服务发现：注册和管理服务，使系统组件能够相互发现并相互通信。命名服务：提供唯一标识符和层次结构命名空间，用于组织和查找资源。监控和报警：跟踪系统指标并触发报警，以识别和解决潜在问题。

性能调优

TICK 时间

TICK 时间是 ZooKeeper 衡量时间的单位。较小的 TICK 时间可以在轻负载下提高响应时间，但在重负载下可能会导致更频繁的心跳和更高的开销。建议在轻负载系统中使用 200-500 毫秒的 TICK 时间，在重负载系统中使用 1000-2000 毫秒。

会话超时

会话超时定义了客户端与 ZooKeeper 服务器保持连接的最长时间。较长的超时会增加可用性，但可能会导致服务器资源浪费。较短的超时可以降低可用性，但可以提高对客户端故障的检测速度。建议使用 10-30 秒的会话超时，具体取决于系统容错性和可用性要求。

最小和最大连接数

ZooKeeper 服务器维护与客户端的连接池。较小的最小连接数可以降低开销

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zookeeper什么意思

zookeeper是动物管理员的意思。

ZooKeeper是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务，是Google的Chubby一个开源的实现，是Hadoop和Hbase的重要组件。它是一个为分布式应用提供一致性服务的软件，提供的功能包括:配置维护、域名服务、分布式同步、组服务等。

ZooKeeper的目标就是封装好复杂易出错的关键服务，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。

ZooKeeper包含一个简单的原语集，提供Java和C的接口。

ZooKeeper代码版本中，提供了分布式独享锁、选举、队列的接口，代码在$zookeeper_home\src\recipes。其中分布锁和队列有Java和C两个版本，选举只有Java版本。

它的原理：

ZooKeeper是以Fast Paxos算法为基础的，Paxos 算法存在活锁的问题，即当有多个proposer交错提交时，有可能互相排斥导致没有一个proposer能提交成功，而Fast Paxos做了一些优化，通过选举产生一个leader (领导者)，只有leader才能提交proposer，具体算法可见Fast Paxos。因此，要想弄懂ZooKeeper首先得对Fast Paxos有所了解。

ZooKeeper的基本运转流程:1、选举Leader。2、同步数据。3、选举Leader过程中算法有很多，但要达到的选举标准是一致的。4、Leader要具有最高的执行ID，类似root权限。5、集群中大多数的机器得到响应并接受选出的Leader。

Zookeeper 理论基础

ZooKeeper 由雅虎研究院开发，后来捐赠给了 Apache。ZooKeeper 是一个开源的分布式应用程序协调服务器，其为分布式系统提供一致性服务。其一致性是通过基于 Paxos 算法的ZAB 协议完成的。其主要功能包括：配置维护、域名服务、分布式同步、集群管理等。 zookeeper 的官网：

zk 是如何保证分布式系统的一致性的呢？是因为 zk 具有以下几方面的特点：

对于zk 理论的学习，最重要也是最难的知识点就是 Paxos 算法。所以我们首先学习 Paxos算法。

Paxos 算法是莱斯利·兰伯特(Leslie Lamport)1990 年提出的一种基于消息传递的、具有高容错性的一致性算法。Google Chubby 的作者 Mike Burrows 说过，世上只有一种一致性算法， 那就是 Paxos，所有其他一致性算法都是 Paxos 算法的不完整版。Paxos 算法是一种公认的晦涩难懂的算法，并且工程实现上也具有很大难度。较有名的 Paxos 工程实现有Google Chubby、ZAB、微信的 PhxPaxos 等。 Paxos 算法是用于解决什么问题的呢？Paxos 算法要解决的问题是，在分布式系统中如何就某个决议达成一致。

拜占庭将军问题是由 Paxos 算法作者莱斯利·兰伯特提出的点对点通信中的基本问题。该问题要说明的含义是，在不可靠信道上试图通过消息传递的方式达到一致性是不可能的。所以，Paxos 算法的前提是不存在拜占庭将军问题，即信道是安全的、可靠的，集群节点间传递的消息是不会被篡改的。

一般情况下，分布式系统中各个节点间采用两种通讯模型：共享内存（Shared Memory）、消息传递（Messages Passing）。而 Paxos 是基于消息传递通讯模型的。

在 Paxos 算法中有三种角色，分别具有三种不同的行为。但很多时候，一个进程可能同时充当着多种角色。

Paxos 算法的一致性主要体现在以下几点：

Paxos 对于提案的提交算法有两种方案，2PC 与 3PC。

它们的区别主要就在于 accept 阶段中是否包含 commit 功能。具体看下面的描述。

Paxos 算法的 3PC 执行过程划分为三个阶段：准备阶段 prepare、接受阶段 accept，与提交阶段 commit。

若提案者接收到的反馈数量超过了半数，则其会向外广播两类信息：

2PC 与 3PC 的区别是，在提案者接收到超过半数的表决者对于 parepare 阶段的反馈后，其会向所有表决者发送真正的提案 proposal。当表决者接受到 proposal 后就直接将其同步到了本地，不用再等待 commit 消息了。

那么，为什么不直接使用 2PC，而要使用 3PC 呢？是因为 2PC 中存在着较多的弊端（这里就不再展开来说了）。所以很多 Paxos 工业实现使用的都是 3PC 提交。但 2PC 提交的效率要高于 3PC 提交，所以在保证不出问题的情况下，是可以使用 2PC 提交的。

前面所述的Paxos 算法在实际工程应用过程中，根据不同的实际需求存在诸多不便之处， 所以也就出现了很多对于基本 Paxos 算法的优化算法，以对 Paxos 算法进行改进，例如，Multi Paxos、Fast Paxos、EPaxos。

例如，Paxos 算法存在“活锁问题”，Fast Paxos 算法对 Paxos 算法进行了改进：只允许一个进程提交提案，即该进程具有对 N 的唯一操作权。该方式解决了“活锁”问题。

ZAB ，Zookeeper Atomic Broadcast，zk 原子消息广播协议，是专为 ZooKeeper 设计的一种支持崩溃恢复的原子广播协议，在 Zookeeper 中，主要依赖 ZAB 协议来实现分布式数据一致性。

Zookeeper 使用一个单一主进程来接收并处理客户端的所有事务请求，即写请求。当服务器数据的状态发生变更后，集群采用 ZAB 原子广播协议，以事务提案 Proposal 的形式广播到所有的副本进程上。ZAB 协议能够保证一个全局的变更序列，即可以为每一个事务分配一个全局的递增编号 xid。

当 Zookeeper 客户端连接到 Zookeeper 集群的一个节点后，若客户端提交的是读请求， 那么当前节点就直接根据自己保存的数据对其进行响应；如果是写请求且当前节点不是Leader，那么节点就会将该写请求转发给 Leader，Leader 会以提案的方式广播该写操作，只要有超过半数节点同意该写操作，则该写操作请求就会被提交。然后 Leader 会再次广播给所有订阅者，即 Learner，通知它们同步数据。

ZAB 协议是 Paxos 算法的一种工业实现算法。但两者的设计目标不太一样。ZAB 协议主要用于构建一个高可用的分布式数据主从系统，即 Follower 是 Leader 的从机，Leader 挂了， 马上就可以选举出一个新的 Leader，但平时它们都对外提供服务。而 Fast Paxos 算法则是用于构建一个分布式一致性状态机系统，确保系统中各个节点的状态都是一致的。

另外，ZAB 还使用 Google 的 Chubby 算法作为分布式锁的实现，而 Google 的 Chubby 也是 Paxos 算法的应用。

zk 集群对于事务请求的处理是 Fast Paxos 算法的体现，即只允许 Leader 提出提案。其属于 3PC 提交。

但 Leader 选举是 Paxos 算法的体现，因为 Leader 宕机后，所有 Follower 均可提交提案， 它们在最初都是“我选我”。其属于 2PC 提交。

为了避免 Zookeeper 的单点问题，zk 也是以集群的形式出现的。zk 集群中的角色主要有以下三类：

Learner：学习者，同步者。 Learner = Follower + Observer QuorumPeer = Participant = Leader + Follower

在 ZAB 中有三个很重要的数据：

ZAB 协议中对zkServer 的状态描述有三种模式。这三种模式并没有十分明显的界线，它们相互交织在一起。

zk 集群中的每一台主机，在不同的阶段会处于不同的状态。每一台主机具有四种状态。

在集群启动过程中，或 Leader 宕机后，集群就进入了恢复模式。恢复模式中最重要的阶段就是 Leader 选举。

A、serverId 这是zk 集群中服务器的唯一标识，也称为 sid，其实质就是 zk 中配置的 myid。例如， 有三个 zk 服务器，那么编号分别是 1,2,3。 B、 逻辑时钟 逻辑时钟，Logicalclock，是一个整型数，该概念在选举时称为 logicalclock，而在选举结束后称为epoch。即 epoch 与 logicalclock 是同一个值，在不同情况下的不同名称。

在集群启动过程中的 Leader 选举过程（算法）与 Leader 断连后的 Leader 选举过程稍微有一些区别，基本相同。

A、集群启动中的 Leader 选举

对于 Server1 而言，它的投票是(1, 0)，接收 Server2 的投票为(2, 0)。其首先会比较两者的 ZXID，均为 0，再比较 myid，此时 Server2 的 myid 最大，于是 Server1 更新自己的投票为(2, 0)，然后重新投票。对于 Server2 而言，其无须更新自己的投票，只是再次向集群中所有主机发出上一次投票信息即可。 (4) 统计投票。每次投票后，服务器都会统计投票信息，判断是否已经有过半机器接受到相同的投票信息。对于 Server1、Server2 而言，都统计出集群中已经有两台主机接受了(2, 0)的投票信息，此时便认为已经选出了新的 Leader，即 Server2。 (5) 改变服务器状态。一旦确定了 Leader，每个服务器就会更新自己的状态，如果是Follower，那么就变更为 FOLLOWING，如果是 Leader，就变更为 LEADING。 (6) 添加主机。在新的 Leader 选举出来后 Server3 启动，其想发出新一轮的选举。但由于当前集群中各个主机的状态并不是 LOOKING，而是各司其职的正常服务，所以其只能是以Follower 的身份加入到集群中。

B、 宕机后的 Leader 选举 在 Zookeeper 运行期间，Leader 与非 Leader 服务器各司其职，即便当有非 Leader 服务器宕机或新加入时也不会影响 Leader。但是若 Leader 服务器挂了，那么整个集群将暂停对外服务，进入新一轮的 Leader 选举，其过程和启动时期的 Leader 选举过程基本一致。

前面我们说过，恢复模式具有两个阶段：Leader 选举与初始化同步。当完成 Leader 选举后，此时的 Leader 还是一个准 Leader，其要经过初始化同步后才能变为真正的 Leader。

具体过程如下：

当集群中的 Learner 完成了初始化状态同步，那么整个 zk 集群就进入到了正常工作模式了。 如果集群中的 Learner 节点收到客户端的事务请求，那么这些 Learner 会将请求转发给Leader 服务器。然后再执行如下的具体过程：

Observer 数量并不是越多越好，一般与 Follower 数量相同。因为 Observer 数量的增多虽不会增加事务操作压力，但其需要从 Leader 同步数据，Observer 同步数据的时间是小于等于 Follower 同步数据的时间的。当 Follower 同步数据完成，Leader 的 Observer 列表中的Observer 主机将结束同步。那些完成同步的 Observer 将会进入到另一个对外提供服务的列表。那么，那些没有同步了数据无法提供服务的 Observer 主机就形成了资源浪费。 所以，对于事务操作发生频繁的系统，不建议使用过多的 Observer。

Leader 中保存的 Observer 列表其实有两个： all：包含所有 Observer。 service：已经完成了从 Leader 同步数据的任务。service <= all。其是动态的。

Leader 中保存的 Follower 列表其实也有两个： all：要求其中必须有过半的 Follower 向Leader 反馈ACK service：

当集群正在启动过程中，或 Leader 崩溃后，集群就进入了恢复模式。对于要恢复的数据状态需要遵循三个原则。

若集群中 Leader 收到的 Follower 心跳数量没有过半，此时 Leader 会自认为自己与集群的连接已经出现了问题，其会主动修改自己的状态为 LOOKING，去查找新的 Leader。 而其它 Server 由于有过半的主机认为已经丢失了 Leader，所以它们会发起新的 Leader选举，选出一个新的 Leader。

正常情况下，当 Leader 收到超过半数 Follower 的 ACKs 后，就向各个 Follower 广播COMMIT 消息，批准各个Server 执行该写操作事务。当各个Server 在接收到Leader 的COMMIT 消息后就会在本地执行该写操作，然后会向客户端响应写操作成功。 但是如果在非全部 Follower 收到 COMMIT 消息之前 Leader 就挂了，这将导致一种后果：部分 Server 已经执行了该事务，而部分 Server 尚未收到 COMMIT 消息，所以其并没有执行该事务。当新的 Leader 被选举出，集群经过恢复模式后需要保证所有 Server 上都执行了那些已经被部分 Server 执行过的事务。

当在 Leader 新事务已经通过，其已经将该事务更新到了本地，但所有 Follower 还都没有收到 COMMIT 之前，Leader 宕机了，此时，所有 Follower 根本就不知道该 Proposal 的存在。当新的 Leader 选举出来，整个集群进入正常服务状态后，之前挂了的 Leader 主机重新启动并注册成为了 Follower。若那个别人根本不知道的 Proposal 还保留在那个主机，那么其数据就会比其它主机多出了内容，导致整个系统状态的不一致。所以，该 Proposa 应该被丢弃。类似这样应该被丢弃的事务，是不能再次出现在集群中的，应该被清除。

前面我们说过，无论是写操作投票，还是 Leader 选举投票，都必须过半才能通过，也就是说若出现超过半数的主机宕机，则投票永远无法通过。基于该理论，由 5 台主机构成的集群，最多只允许 2 台宕机。而由 6 台构成的集群，其最多也只允许 2 台宕机。即，6 台与5 台的容灾能力是相同的。基于此容灾能力的原因，建议使用奇数台主机构成集群，以避免资源浪费。 但从系统吞吐量上说，6 台主机的性能一定是高于 5 台的。所以使用 6 台主机并不是资源浪费。

对于一个高可用的系统，除了要设置多台主机部署为一个集群避免单点问题外，还需要考虑将集群部署在多个机房、多个楼宇。对于多个机房、楼宇中集群也是不能随意部署的， 下面就多个机房的部署进行分析。 在多机房部署设计中，要充分考虑“过半原则”，也就是说，尽量要确保 zk 集群中有过半的机器能够正常运行。

在生产环境下，三机房部署是最常见的、容灾性最好的部署方案。三机房部署中要求每个机房中的主机数量必须少于集群总数的一半。

zk 官方没有给出较好的双机房部署的容灾方案。只能是让其中一个机房占有超过半数的主机，使其做为主机房，而另一机房少于半数。当然，若主机房出现问题，则整个集群会瘫痪。

CAP 定理又称 CAP 原则，指的是在一个分布式系统中，Consistency（一致性）、Availability（可用性）、Partition tolerance（分区容错性），三者不可兼得。

对于分布式系统，网络环境相对是不可控的，出现网络分区是不可避免的，因此系统必须具备分区容错性。但其并不能同时保证一致性与可用性。CAP 原则对于一个分布式系统来说，只可能满足两项，即要么 CP，要么 AP。

BASE 是Basically Available（基本可用）、Soft state（软状态）和 Eventually consistent（最终一致性）三个短语的简写。

BASE 理论的核心思想是：即使无法做到实时一致性，但每个系统都可以根据自身的业务特点，采用适当的方式来使系统达到最终一致性。

基本可用是指分布式系统在出现不可预知故障的时候，允许损失部分可用性。 损失响应时间： 损失功能：

软状态，是指允许系统数据存在的中间状态，并认为该中间状态的存在不会影响系统的整体可用性，即允许系统主机间进行数据同步的过程存在一定延时。软状态，其实就是一种灰度状态，过渡状态。

最终一致性强调的是系统中所有的数据副本，在经过一段时间的同步后，最终能够达到一个一致的状态。因此，最终一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致，而不需要实时保证系统数据的一致性。

从达到一致性的时间角度来划分，可以分为：

单从客户端访问到的内容角度来划分，可以分为：

zk 遵循的是 CP 原则，即保证了一致性，但牺牲了可用性。体现在哪里呢？

当 Leader 宕机后，zk 集群会马上进行新的 Leader 的选举。但选举时长一般在 200 毫秒内，最长不超过 60 秒，整个选举期间 zk 集群是不接受客户端的读写操作的，即 zk 集群是处于瘫痪状态的。所以，其不满足可用性。

这里说的zk可能会引发脑裂，是指的在多机房部署中，若出现了网络连接问题，形成多个分区，则可能会出现脑裂问题，可能会导致数据不一致。 （1）情况一

（2）情况二

（5）情况五

ZooKeeper 的功能和原理初探

在公司核心系统的开发过程中用到了ZooKeeper，简称zk，用于搭建分布式核心环境，开发过程中也经常会遇到zk出现的问题，看了几篇博客了解和总结一下zk的基本原理。 ZooKeeper主要有几个重要的概念，简单总结下： ZooKeeper中主要有三种角色：Leader、Follower、Observer 一个 ZooKeeper 集群同一时刻只会有一个 Leader，其他都是 Follower 或 Observer。 ZooKeeper 集群的所有机器通过一个 Leader 选举过程来选定一台被称为『Leader』的机器，Leader服务器为客户端提供读和写服务。 Follower 和 Observer 都能提供读服务，不能提供写服务。 两者唯一的区别在于，Observer机器不参与 Leader 选举过程，也不参与写操作的『过半写成功』策略，因此 Observer 可以在不影响写性能的情况下提升集群的读性能。 每个子目录项如 NameService 都被称作为znode，和文件系统一样，我们能够自由的增加、删除znode，在一个znode下增加、删除子znode，唯一的不同在于znode是可以存储数据的。 Session 是指客户端会话。 在ZooKeeper 中，一个客户端连接是指客户端和 ZooKeeper 服务器之间的TCP长连接。 ZooKeeper 对外的服务端口默认是2181，客户端启动时，首先会与服务器建立一个TCP连接，从第一次连接建立开始，客户端会话的生命周期也开始了，通过这个连接，客户端能够通过心跳检测和服务器保持有效的会话，也能够向 ZooKeeper 服务器发送请求并接受响应，同时还能通过该连接接收来自服务器的 Watch 事件通知。 Session 的 SessionTimeout 值用来设置一个客户端会话的超时时间。 当由于服务器压力太大、网络故障或是客户端主动断开连接等各种原因导致客户端连接断开时，只要在SessionTimeout 规定的时间内能够重新连接上集群中任意一台服务器，那么之前创建的会话仍然有效。 zookeeper的结构其实就是一个树形结构，leader就相当于其中的根结点，其它节点就相当于follow节点，每个节点都保留自己的内容。 zookeeper的节点分两类： 持久节点 和 临时节点 持久节点：所谓持久节点是指一旦这个 树形结构上被创建了，除非主动进行对树节点的移除操作，否则这个 节点将一直保存在 ZooKeeper 上。 临时节点：临时节点的生命周期跟客户端会话绑定，一旦客户端会话失效，那么这个客户端创建的所有临时节点都会被移除。 有四种类型的znode： 1、PERSISTENT-持久化目录节点 客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在 2、PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化顺序编号目录节点 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 3、EPHEMERAL-临时目录节点 客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除 4、EPHEMERAL_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点 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 每个 节点除了存储数据内容之外，还存储了 节点本身的一些状态信息。 用 get 命令可以同时获得某个 节点的内容和状态信息 在 ZooKeeper 中，version 属性是用来实现乐观锁机制中的『写入校验』的（保证分布式数据原子性操作）。 Zookeeper 的核心是原子广播，这个机制保证了各个Server之间的同步。 实现这个机制的协议叫做Zab协议。 Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（选主）和广播模式（同步）。 当服务启动或者在领导者崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，且大多数Server完成了和 leader的状态同步以后，恢复模式就结束了。 状态同步保证了leader和Server具有相同的系统状态。 在ZooKeeper中，能改变ZooKeeper服务器状态的操作称为事务操作。 一般包括数据节点创建与删除、数据内容更新和客户端会话创建与失效等操作。 对应每一个事务请求，为了保证事务的顺序一致性，ZooKeeper都会为其分配一个全局唯一的事务ID，用 ZXID 表示，通常是一个64位的数字。 每一个 ZXID对应一次更新操作，从这些 ZXID 中可以间接地识别出 ZooKeeper 处理这些事务操作请求的全局顺序。 ZooKeeper允许用户在指定节点上注册一些 Watcher，并且在一些特定事件触发的时候，ZooKeeper 服务端会将事件通知到感兴趣的客户端上去。 该机制是 ZooKeeper 实现分布式协调服务的重要特性。

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