Zookeeper 系列（三）Zookeeper API

Zookeeper 系列（三）Zookeeper API

本节首先介绍 Zookeeper 的 Shell 命令，再对 Java 操作 Zookeeper 的三种方式进行讲解，本节先介绍 Zookeeper 的原生 API。

  • Zookeeper API：Zookeeper 原生 api
  • ZKClient API
  • Curator API

一、Shell 命令

启动 Zookeeper 服务之后，输入以下命令，连接到 Zookeeper 服务：

zkCli.sh -server localhost:2181

注意： window 下直接 zkCli 启动，不要带参数，否则会报错，详见zookeeper启动抛出NumberFormatException 异常。

连接成功之后，输入 help 之后，屏幕会输出可用的 Zookeeper 命令，如下所示：

ZooKeeper -server host:port cmd args
        stat path [watch]
        set path data [version]
        ls path [watch]
        delquota [-n|-b] path
        ls2 path [watch]
        setAcl path acl
        setquota -n|-b val path
        history
        redo cmdno
        printwatches on|off
        delete path [version]
        sync path
        listquota path
        rmr path
        get path [watch]
        create [-s] [-e] path data acl
        addauth scheme auth
        quit
        getAcl path
        close
        connect host:port

(1) 查询 ls

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] ls /
[zookeeper]
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] ls /zookeeper
[quota]

(2) 创建新的 Znode 节点 create

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 7] create /date 2018-04-05
Created /date
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 8] ls /
[date, zookeeper]

(3) 获取 Znode 节点 get

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 9] get /date
2018-04-05
cZxid = 0x7
ctime = Thu Apr 05 14:21:20 CST 2018
mZxid = 0x7
mtime = Thu Apr 05 14:21:20 CST 2018
pZxid = 0x7
cversion = 0
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x0
dataLength = 10
numChildren = 0

(4) 修改 Znode 节点 set

set /date 2018-04-06

(4) 删除 Znode 节点 delete/rmr

delete /date    # 不能删除非空目录
rmr /date       # 递归删除

二、Zookeeper API

<dependency>
    <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
    <artifactId>zookeeper</artifactId>
    <version>3.5.0-alpha</version>
</dependency>

示例：

package com.github.binarylei.zookeeper;

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

import java.io.IOException;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * @author: leigang
 * @version: 2018-04-05
 */
public class ZookeeperBase {

    /** zookeeper 地址，多个用 , 隔开 */
    static final String CONNECT_ADDR = "127.0.0.1";
    /** session 超时时间，单位：ms */
    static final int SESSION_OUTTIME = 5000;
    /** 阻塞程序执行，用于等待zookeeper 连接成功，发送成功信号 */
    static final CountDownLatch connectedSemaphore = new CountDownLatch(1);
    
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException, KeeperException {
        ZooKeeper zooKeeper = new ZooKeeper(CONNECT_ADDR, SESSION_OUTTIME, new Watcher() { // (1)
            @Override
            public void process(WatchedEvent event) {
                // 获取事件的状态
                Event.KeeperState state = event.getState();
                Event.EventType type = event.getType();
                // 如果是建立连接
                if (state == Event.KeeperState.SyncConnected) {
                    if (type == Event.EventType.None) {
                        // 如果连接建立成功，则发送信号，让后续阻塞程序向下执行
                        connectedSemaphore.countDown();
                        System.out.println("zookeeper 连接建立");
                    }
                }

            }
        });

        // 进行阻塞，等待与 Zookeeper 的连接建立完成
        connectedSemaphore.await();
        System.out.println("============================");

        //1. 创建节点
        zooKeeper.create( // (2)
                "/testRoot",            // 节点路径，不允许递归创建节点
                "testRoot".getBytes(),        // 节点内容
                ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,  // 节点权限，一般情况下不用关注
                CreateMode.PERSISTENT);       // 节点类型

        //2. 获取节点
        byte[] data = zooKeeper.getData("/testRoot", false, null);
        System.out.println("获取节点：" + new String(data));

        //3. 获取子节点
        List<String> nodes = zooKeeper.getChildren("/", false);
        for (String node : nodes) {
            System.out.println("获取" + node + "子节点：" +
                    new String(zooKeeper.getData("/" + node, false, null)));
        }

        //4. 修改节点的值
        Stat stat = zooKeeper.setData("/testRoot", "111".getBytes(), -1);

        //5. 判断节点是否存在
        System.out.println("节点是否存在：" + zooKeeper.exists("/testRoot", false));

        //6. 删除节点，不支持递归删除
        zooKeeper.delete("/testRoot", -1, new AsyncCallback.VoidCallback() {
            @Override
            public void processResult(int rc, String path, Object ctx) {
                System.out.println("响应码：" + rc);
                System.out.println("路径：" + path);
                System.out.println("上下文：" + ctx);
            }
        }, 1);

        zooKeeper.close();
    }
}

(1) 创建会话方法 ：客户端可以通过创建一个 Zookeeper 实例来连接 Zookeeper 服务器。ZooKeeper 构造方法 有 4 个，参数说明如下：

  1. connectstring ：连接服务器列表，已"，"分割。
  2. sessiontimeout ：心跳检测时间周期期(秒)
  3. wather ：事件处理通知器。
  4. canbereadonly ：标识当前会话是否支持只读。
  5. session 和 sessionpasswd ：提供连接 zookeeper 的 session 和密码，通过这俩个确定唯一台客户端，目的是可以提供重复会话。

注意： Zookeeper 客户端和服务器端会话的建立是一个异步的过程 ，程序方法在处理完客户端初始化后立即返回，也就是说程序继续往下执行代码，这样，大多数情况下我们并没有真正构建好一个可用会话，在会话的生命周期处于 "SyncConnected" 时才算真正建立完毕。解决方案是使用 CountDownLatch 阻塞，起到连接建立完成。

(2) 创建节点 ：

create(final String path, byte data[], List<ACL> acl, CreateMode createMode)
  1. path ：节点路径，/nodeName。不允许递归创建节点。
  2. data ：节点内容，要求类型是字节数组。
  3. acl ：节点权限，一般使用 ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE 即可。
  4. createMode ：节点类型。PERSISTENT(持久节点)、PERSISTENT_SEQUENTIAL(持久顺序节点)、EPHEMERAL(临时节点)、EPHEMERAL_SEQUENTIAL(临时顺序节点)。

(3) 获取节点 ：

getData(String path, boolean watch, Stat stat)

(4) 获取子节点 ：

getChildren(String path, boolean watch)

(5) 修改节点的值 ：

# version = -1 表示全部的历史版本，一般使用 -1 即可
setData(final String path, byte data[], int version)

(6) 判断节点是否存在 ：

exists(String path, boolean watch)

(7) 删除节点 ：

delete(final String path, int version)

(8) 所有的节点都有同步和异步区分，以delete为例 ：

// 参数分别为：路径，版本(-1即可)，回调函数，上下文环境
zooKeeper.delete("/testRoot", -1, new AsyncCallback.VoidCallback() {
    @Override
    public void processResult(int rc, String path, Object ctx) {
        System.out.println("响应码：" + rc);
        System.out.println("路径：" + path);
        System.out.println("上下文：" + ctx);
    }
}, 1);

注册一个异步回调函数，要实现 AsyncCallback.VoidCallback 接口，重写 processResult(int rc, String path, Object ctx) 方法，当节点创建完毕后执行此方法。

  1. rc ：为服务端响应码 0(调用成功)、-4(端口连接)、-110(指定节点存在)、-112(会话已经过期)。
  2. path ：接口调用时传入 API 的数据节点的路径参数
  3. ctx ：为调用接口传入 API 的 ctx 值

三、Zookeeper Watcher

3.1 watcher 的概念

Zookeeper Watcher 事件触发机制详见 Watch 触发器。当 watch 监视的数据发生变化时，通知设置了该 watch 的 client，即 watcher。

同样，其 watcher 是监听数据发送了某些变化，那就一定会有对应的事件类型，和状态类型。

(1) 事件类型(znode节点相关)：

  1. EventType.None ：客户端连接成功
  2. EventType.NodeCreated ：节点创建
  3. EventType.NodeDataChanged ：节点变更
  4. EventType.NodeChildrenChanged ：子节点变量
  5. EventType.NodeDeleted ：节点删除

(2) 状态类型(客户端状态)：

  1. KeeperState.Disconnected ：客户端连接断开
  2. KeeperState.SyncConnected ：客户端连接成功
  3. KeeperState.AuthFailed ：客户端认证失败
  4. KeeperState.Expired ：客户端连接过期

3.2 watcher 的特性

Watcher 的特性：一次性、客户端串行执行、轻量。

(1) 一次性

对于 ZK 的 watcher，你只需要记住一点: zookeeper 有 watch事件，是一次性触发的，当 watch 监视的数据发生变化时，通知设置了该 watch 的 client，即 watcher，由于 zookeeper 的监控都是一次性的所以每次必须设置监控。

(2) 客户端串行执行

客户端 Watcher 回调的过程是一个串行同步的过程，这为我们保证了顺序，同时需要开发人员注意一点，千万不要因为一个 Watcher 的处理逻辑影响了整个客户端的 Watcher 回调。

(3) 轻量

Watched Event 是 Zookeeper 整个 Watcher 通知机制的最小通知单元，整个结构只包含三部分：通知状态、事件类型和节点路径。也就是说 Watcher 通知非常的简单，只会告诉客户端发生了事件而不会告知其具体内容，需要客户自己去进行获取，比如 NodeDataChanged 事件， Zookeeper 只会通知客户端指定节点的数据发生了变更，而不会直接提供具体的数据内容。

我们通过一个示例，详细学习下 Watcher 的概念和其目的。

3.3 Watcher 示例

package com.github.binarylei.zookeeper.watcher;

import java.io.Closeable;
import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.Watcher.Event.KeeperState;
import org.apache.zookeeper.Watcher.Event.EventType;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;

/**
 * @author: leigang
 * @version: 2018-04-05
 */
public class ConnectionWatcher implements Watcher, Closeable {
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 5000;
    /** 定义原子变量，用于记录watcher数 */
    private AtomicInteger seq = new AtomicInteger();

    protected ZooKeeper zk;
    private CountDownLatch connectedSignal = new CountDownLatch(1);

    public void connect(String host) {
        this.close();
        try {
            this.zk = new ZooKeeper(host, SESSION_TIMEOUT, this);
            this.connectedSignal.await();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        if (event == null) {
            return;
        }
        // 连接状态
        KeeperState keeperState = event.getState();
        // 事件类型
        EventType eventType = event.getType();
        // 受影响的path
        String path = event.getPath();
        String logPrefix = "【Watcher-" + seq.incrementAndGet() + "】";

        if(keeperState == KeeperState.SyncConnected) {
            // 成功连接上服务器
            if (eventType == EventType.None) {
                System.out.println(logPrefix + "成功连接上服务器");
                this.connectedSignal.countDown();
            }
            // 节点创建
            else if (eventType == EventType.NodeCreated) {
                System.out.println(logPrefix + "节点创建：" + path);
            }
            // 节点数据更新
            else if (eventType == EventType.NodeDataChanged) {
                System.out.println(logPrefix + "节点数据更新："+ path);
            }
            // 节点删除
            else if (eventType == EventType.NodeDeleted) {
                System.out.println(logPrefix + "节点删除：" + path);
            }
        } else if (keeperState == KeeperState.Disconnected) {
            System.out.println(logPrefix + "连接断开");
        } else if (keeperState == KeeperState.AuthFailed) {
            System.out.println(logPrefix + "权限认证失败");
        } else if (keeperState == KeeperState.Expired) {
            System.out.println(logPrefix + "连接过期");
        }
    }

    // 关闭连接
    public void close() {
        if (this.zk != null) {
            try {
                this.zk.close();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public ZooKeeper getZk() {
        return zk;
    }

    public void setZk(ZooKeeper zk) {
        this.zk = zk;
    }
}

public class ConnectionWatcherTest {

    @Test
    public void test() throws KeeperException, InterruptedException {
        ConnectionWatcher zkWatcher = new ConnectionWatcher();
        zkWatcher.connect("127.0.0.1:2181");

        ZooKeeper zk = zkWatcher.getZk();
        zk.create("/date", String.valueOf(System.currentTimeMillis()).getBytes(),
                ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);

        //1. 注册watch事件
        zk.exists("/date", true);
        zk.setData("/date", String.valueOf(System.currentTimeMillis()).getBytes(), -1);

        //2. watch的触发是一次性的，要想再次触发必须重新注册
        zk.exists("/date", true);
        zk.setData("/date", String.valueOf(System.currentTimeMillis()).getBytes(), -1);

        zk.delete("/date", -1);
        zkWatcher.close();
    }
}

测试结果如下：

【Watcher-1】成功连接上服务器
【Watcher-2】节点数据更新：/date
# 当第二个 zk.exists("/date", true); 注释后，【Watcher-3】就不会触发了
【Watcher-3】节点数据更新：/date

四、Zookeeper 安全机制

ACL(Access Control List)， Zookeeper 作为分布式协调框架，其内部存储的都是一些关乎分布式系统运行时状态的元数据，尤其是设计到分布式锁、 Master 选举和协调等应用场景。我们需要有效地保障 Zookeeper 中的数据安全，Zookeeper 提供一套完善的 ACL 权限控制机酮来保障数据的安全。

Zookeeper 提供了三种模式。权限模式、授权对象、权限。

(1) 权限模式: Scheme，开发人员最多使用的如下四种权限模式：

  1. IP ：ip 模式通过 ip 地址粒度来进行控制权限，例如配置了 192.168.1.107 即表示权限控都针对这个 ip 地址的，同时也支持按网段分配，比如 192.168.1.*
  2. Diges ：digest 是最常用的权限控制模式 ，也更符合我们对权限控制的认识，其类似于 "username: password" 形式的权限标识进行权限配置。zK 会对形成的权限标识先后进行俩次编码处理，分别是 SHA-1 加密算法、BASE64 编码。
  3. World ：World 是一直最开放的权限控制模式。这种模式可以看做为特殊的 Digest。他仅仅是一个标识而已。
  4. Super ：超级用户模式_在超级用户模式下可以对 ZK 任意进行操作。

(2) 权限对象：指的是权限赋予的用户或者一个指定的实体，例如 ip 地址或机器等。在不的模式下，授权对象是不同的。这种模式和权限对象一一对应。

(3) 权限：权限就是指那些通过权限检测后可以被允许执行的操作，在 ZK 中，对数据的操作权限分为以下五大类：

CREATE、DELETE、READ、WRITE、ADMIN

4.1 代码示例

// 修改connect连接，在实例化ZooKeeper后，添加认证信息
public class ZookeeperAuth implements Watcher, Closeable {
    public void connect(String host) {
        connect(host, null);
    }

    // 添加认证
    public void connect(String host, String password) {
        this.close();
        try {
            this.zk = new ZooKeeper(host, SESSION_TIMEOUT, this);
            if (password != null) {
                this.zk.addAuthInfo("digest", password.getBytes());
            }
            this.connectedSignal.await();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

测试代码如下：

public class ZookeeperAuthTest{

    @Test
    public void test1() throws KeeperException, InterruptedException { // (1)
        ZookeeperAuth zkAuth = new ZookeeperAuth();
        zkAuth.connect("127.0.0.1", "123456");

        ZooKeeper zk = zkAuth.getZk();
        zk.create("/testAuth", "test".getBytes(), ZooDefs.Ids.CREATOR_ALL_ACL, CreateMode.PERSISTENT);

        zkAuth.close();
    }

    @Test
    public void test2() throws KeeperException, InterruptedException { // (2)
        ZookeeperAuth zkAuth = new ZookeeperAuth();
        zkAuth.connect("127.0.0.1:2181", "1234568");

        ZooKeeper zk = zkAuth.getZk();
        byte[] data = zk.getData("/testAuth", false, null);
        System.out.println(new String(data));

        zkAuth.close();
    }
}

(1) Client-1 使用密码 123456 创建一个连接，并创建一个 znode 节点 /testAuth，注意创建节点时权限使用 ZooDefs.Ids.CREATOR_ALL_ACL

(2) Client-2 使用密码 1234568 创建一个连接，并打算修改节点 /testAuth ，结果出现权限不足的错误。

org.apache.zookeeper.KeeperException$NoAuthException: KeeperErrorCode = NoAuth for /testAuth

	at org.apache.zookeeper.KeeperException.create(KeeperException.java:117)
	at org.apache.zookeeper.KeeperException.create(KeeperException.java:51)
	at org.apache.zookeeper.ZooKeeper.getData(ZooKeeper.java:1611)
	at org.apache.zookeeper.ZooKeeper.getData(ZooKeeper.java:1640)
	at com.github.binarylei.zookeeper.auth.ZookeeperAuthTest.test2(ZookeeperAuthTest.java:33)
	at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
	at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
	at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
	at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
	at org.junit.runners.model.FrameworkMethod$1.runReflectiveCall(FrameworkMethod.java:50)
	at org.junit.internal.runners.model.ReflectiveCallable.run(ReflectiveCallable.java:12)
	at org.junit.runners.model.FrameworkMethod.invokeExplosively(FrameworkMethod.java:47)
	at org.junit.internal.runners.statements.InvokeMethod.evaluate(InvokeMethod.java:17)
	at org.junit.runners.ParentRunner.runLeaf(ParentRunner.java:325)
	at org.junit.runners.BlockJUnit4ClassRunner.runChild(BlockJUnit4ClassRunner.java:78)
	at org.junit.runners.BlockJUnit4ClassRunner.runChild(BlockJUnit4ClassRunner.java:57)
	at org.junit.runners.ParentRunner$3.run(ParentRunner.java:290)
	at org.junit.runners.ParentRunner$1.schedule(ParentRunner.java:71)
	at org.junit.runners.ParentRunner.runChildren(ParentRunner.java:288)
	at org.junit.runners.ParentRunner.access$000(ParentRunner.java:58)
	at org.junit.runners.ParentRunner$2.evaluate(ParentRunner.java:268)
	at org.junit.runners.ParentRunner.run(ParentRunner.java:363)
	at org.junit.runner.JUnitCore.run(JUnitCore.java:137)
	at com.intellij.junit4.JUnit4IdeaTestRunner.startRunnerWithArgs(JUnit4IdeaTestRunner.java:68)
	at com.intellij.rt.execution.junit.IdeaTestRunner$Repeater.startRunnerWithArgs(IdeaTestRunner.java:47)
	at com.intellij.rt.execution.junit.JUnitStarter.prepareStreamsAndStart(JUnitStarter.java:242)
	at com.intellij.rt.execution.junit.JUnitStarter.main(JUnitStarter.java:70)
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