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如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

这期内容当中小编将会给大家带来有关如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析,文章内容丰富且以专业的角度为大家分析和叙述,阅读完这篇文章希望大家可以有所收获。

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客户端API简单使用

0.1 demo案例1

一个最简单的demo如下:

public class ZookeeperConstructorSimple implements Watcher{

    private static CountDownLatch connectedSemaphone=new CountDownLatch(1);

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ZooKeeper zooKeeper=new ZooKeeper("127.0.0.1:2181",5000,new ZookeeperConstructorSimple());
        System.out.println(zooKeeper.getState());
        try {
            connectedSemaphone.await();
        } catch (Exception e) {}
        System.out.println("ZooKeeper session established");
        System.out.println("sessionId="+zooKeeper.getSessionId());
        System.out.println("password="+zooKeeper.getSessionPasswd());
    }

    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        System.out.println("my ZookeeperConstructorSimple watcher Receive watched event:"+event);
        if(KeeperState.SyncConnected==event.getState()){
            connectedSemaphone.countDown();
        }
    }

}

使用的maven依赖如下:


    org.apache.zookeeper
    zookeeper
    3.4.6

对于目前来说,ZooKeeper的服务器端代码和客户端代码还是混在一起的,估计日后能改吧。

使用的ZooKeeper的构造函数有三个参数构成

  • ZooKeeper集群的服务器地址列表

    该地址是可以填写多个的,以逗号分隔。如"127.0.0.1:2181,127.0.0.1:2182,127.0.0.1:2183",那客户端连接的时候到底是使用哪一个呢?先随机打乱,然后轮询着用,后面再详细介绍。

  • sessionTimeout

    最终会引出三个时间设置:和服务器端协商后的sessionTimeout、readTimeout、connectTimeout

    服务器端使用协商后的sessionTimeout:即超过该时间后,客户端没有向服务器端发送任何请求(正常情况下客户端会每隔一段时间发送心跳请求,此时服务器端会从新计算客户端的超时时间点的),则服务器端认为session超时,清理数据。此时客户端的ZooKeeper对象就不再起作用了,需要再重新new一个新的对象了。

    客户端使用connectTimeout、readTimeout分别用于检测连接超时和读取超时,一旦超时,则该客户端认为该服务器不稳定,就会从新连接下一个服务器地址。

  • Watcher

    作为ZooKeeper对象一个默认的Watcher,用于接收一些事件通知。如和服务器连接成功的通知、断开连接的通知、Session过期的通知等。

同时我们可以看到,一旦和ZooKeeper服务器连接建立成功,就会获取服务器端分配的sessionId和password,如下:

sessionId=94249128002584594
password=[B@4de3aaf6

下面就通过源码来详细说明这个建立连接的过程。

1 客户端的建立连接的过程

1.1 大体连接过程概述

首先与ZooKeeper服务器建立连接,有两层连接要建立。

  • 客户端与服务器端的TCP连接

  • 在TCP连接的基础上建立session关联

建立TCP连接之后,客户端发送ConnectRequest请求,申请建立session关联,此时服务器端会为该客户端分配sessionId和密码,同时开启对该session是否超时的检测。

当在sessionTimeout时间内,即还未超时,此时TCP连接断开,服务器端仍然认为该sessionId处于存活状态。此时,客户端会选择下一个ZooKeeper服务器地址进行TCP连接建立,TCP连接建立完成后,拿着之前的sessionId和密码发送ConnectRequest请求,如果还未到该sessionId的超时时间,则表示自动重连成功,对客户端用户是透明的,一切都在背后默默执行,ZooKeeper对象是有效的。

如果重新建立TCP连接后,已经达到该sessionId的超时时间了(服务器端就会清理与该sessionId相关的数据),则返回给客户端的sessionTimeout时间为0,sessionid为0,密码为空字节数组。客户端接收到该数据后,会判断协商后的sessionTimeout时间是否小于等于0,如果小于等于0,则使用eventThread线程先发出一个KeeperState.Expired事件,通知相应的Watcher,然后结束EventThread线程的循环,开始走向结束。此时ZooKeeper对象就是无效的了,必须要重新new一个新的ZooKeeper对象,分配新的sessionId了。

1.2 ZooKeeper对象

它是面向用户的,提供一些操作API。

它又两个重要的属性:

  • ClientCnxn cnxn:负责所有的ZooKeeper节点操作的执行

  • ZKWatchManager watchManager:负责维护某个path上注册的Watcher

如创建某个node操作(同步方式):

ZooKeeper对象负责创建出Request,并交给ClientCnxn来执行,ZooKeeper对象再对返回结果进行处理。

如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

同步方式提交一个请求后,开始循环判断该请求包的状态是否结束,即处于阻塞状态,一旦结束则继续往下走下去,返回结果。异步方式则提交一个请求后,直接返回,对结果的处理逻辑包含在回调函数中。一旦该对该请求包响应完毕,则取出回调函数执行相应的回调方法。

ZooKeeper对象主要封装用户的请求以及处理响应等操作。用户请求的执行全部交给ClientCnxn来执行,那我们就详细看下ClientCnxn的来源及大体内容。

先看看ClientCnxn是怎么来的:

如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

  • 第一步:为ZKWatchManager watchManager设置一个默认的Watcher

  • 第二步:将连接字符串信息交给ConnectStringParser进行解析

    连接字符串比如: "192.168.12.1:2181,192.168.12.2:2181,192.168.12.3:2181/root"

  • 得到两个数据String chrootPath默认的跟路径和ArrayList serverAddresses即多个host和port信息。

  • 第三步:根据上述解析的host和port列表结果,创建一个HostProvider

    有了ConnectStringParser的解析结果,为什么还需要一个HostProvider再来包装下呢?主要是为将来留下扩展的余地

    来看下HostProvider的详细接口介绍:

    如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

    HostProvider主要负责不断的对外提供可用的ZooKeeper服务器地址,这些服务器地址可以是从一个url中加载得来或者其他途径得来。同时对于不同的ZooKeeper客户端,给出就近的ZooKeeper服务器地址等。

  • 有三个属性,一个就是服务器地址列表(经过如下方式随机打乱了):

    Collections.shuffle(this.serverAddresses)

    另外两个属性用于标记,下面来具体看下,StaticHostProvider是如何实现不断的对外提供ZooKeeper服务器地址的:

    如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

    代码也很简单,就是在打乱的服务器地址列表中,不断地遍历,到头之后,在从0开始。

    上面的spinDelay是个什么情况呢?

    正常情况下,currentIndex先加1,然后返回currentIndex+1的地址,当该地址连接成功后会执行onConnected方法,即lastIndex = currentIndex了。然而当返回的currentIndex+1的地址连接不成功,继续尝试下一个,仍不成功,仍继续下一个,就会遇到currentIndex=lastIndex的情况,此时即轮询了一遍,仍然没有一个地址能够连接上,此时的策略就是先暂停休息休息,然后再继续。

  • 第四步:为创建ClientCnxn准备参数并创建ClientCnxn。

    首先是通过getClientCnxnSocket()获取一个ClientCnxnSocket。来看下ClientCnxnSocket是主要做什么工作的:

    A ClientCnxnSocket does the lower level communication with a socket implementation. This code has been moved out of ClientCnxn so that a Netty implementation can be provided as an alternative to the NIO socket code.

    专门用于负责socket通信的,把一些公共部分抽象出来,其他的留给不同的实现者来实现。如可以选择默认的ClientCnxnSocketNIO,也可以使用netty等。

  • 首先获取系统参数"zookeeper.clientCnxnSocket",如果没有的话,使用默认的ClientCnxnSocketNIO,所以我们可以通过指定该参数来替换默认的实现。

    参数准备好了,ClientCnxn是如何来创建的呢?

    如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

    首先就是保存一些对象参数,此时的sessionId和sessionPasswd都还没有。然后就是两个timeout参数:connectTimeout和readTimeout。在ClientCnxn的发送和接收数据的线程中,会不断的检测连接超时和读取超时,一旦出现超时,就认为服务不稳定,需要更换服务器,就会从HostProvider中获取下一个服务器地址进行连接。

    最后就是两个线程,一个事件线程即EventThread,一个发送和接收socket数据的线程即SendThread。

    事件线程EventThread呢就是从一个事件队列中不断取出事件并进行处理

  • 看下具体的处理过程,主要分成两种情况,一种就是我们注册的watch事件,另一种就是处理异步回调函数:

    如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

    可以看到这里就是触发我们注册Watch的,还有触发上文提到的异步回调的情况的。

    明白了EventThread是如何来处理事件的,需要知道这些事件是如何来的:

  • 对外提供了三个方法来添加不同类型的事件,如SendThread线程就会调用这三个方法来添加事件。其中对于事件通知,会首先根据ZKWatchManager watchManager来获取关心该事件的所有Watcher,然后触发他们。

    再来看看SendThread的工作内容:

    sendThread = new SendThread(clientCnxnSocket); 把传递给ClientCnxn的clientCnxnSocket,再传递给SendThread,让它服务于SendThread。

    在SendThread的run方法中,有一个while循环,不断的做着以下几件事:

    • 任务1:不断检测clientCnxnSocket是否和服务器处于连接状态,如果是未连接状态,则从hostProvider中取出一个服务器地址,使用clientCnxnSocket进行连接。

      如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

      和服务器建立连接成功后,开始发送ConnectRequest请求,把该请求放到outgoingQueue请求队列中,等待被发送给服务器

    • 任务2:检测是否超时:当处于连接状态时,检测是否读超时,当处于未连接状态时,检测是否连接超时

      如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

      一旦超时,则抛出SessionTimeoutException,然后看下是如何处理呢?

    • 可以看到一旦发生超时异常或者其他异常,都会进行清理,并设置连接状态为未连接,然后发送Disconnected事件。至此又会进入任务1的流程

    • 任务3:不断的发送ping通知,服务器端每接收到ping请求,就会从当前时间重新计算session过期时间,所以当客户端按照一定时间间隔不断的发送ping请求,就能保证客户端的session不会过期。发送时间间隔如下:

      如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

      clientCnxnSocket.getIdleSend():是最后一次发送数据包的时间与当前时间的间隔。当readTimeout的时间已经过去一半多了,都没有发送数据包的话,则执行一次Ping发送。或者过去MAX_SEND_PING_INTERVAL(10s)都还没有发送数据包的话,则执行一次Ping发送。

    • ping发送的内容只有请求头OpCode.ping的标示,其他都为空。发送ping请求,也是把该请求放到outgoingQueue发送队列中,等待被执行。

    • 任务4:执行IO操作,即发送请求队列中的请求和读取服务器端的响应数据。

      如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

      首先从outgoingQueue请求队列中取出第一个请求,然后进行序列化,然后使用socket进行发送。

      读取服务器端数据

    • 分为两种:一种是读取针对ConnectRequest请求的响应,另一种就是其他响应,先暂时不说。

      先来看看针对ConnectRequest请求的响应:

      如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

      首先进行反序列化,得到ConnectResponse对象,我们就可以获取到服务器端给我们客户端分配的sessionId和passwd,以及协商后的sessionTimeOut时间。

    • 首选要根据协商后的sessionTimeout时间,重新计算readTimeout和connectTimeout值。然后保留和记录sessionId和passwd。最后通过EventThread发送一个SyncConnected连接成功事件。至此,TCP连接和session初始化请求都完成了,客户端的ZooKeeper对象可以正常使用了。

      至此,我们便了解客户端与服务器端建立连接的过程。

4 服务器端处理连接的过程

服务器端情况分很多种,先暂时说最简单的单机版。同时也不再给出服务器端的启动过程(后面的文章再来详细说明)。

首先介绍下服务器端的大体概况:

  • 首先是服务器端的配置文件,有tickTime、minSessionTimeout、maxSessionTimeout相关属性。默认情况下,tickTime是3000ms,minSessionTimeout是2倍的tickTime,maxSessionTimeout是20倍的tickTime。

  • 服务器端默认采用NIOServerCnxnFactory来负责socket的处理。每来一个客户端socket请求,为该客户端创建一个NIOServerCnxn。之后与该客户端的交互,就交给了NIOServerCnxn来处理。对于客户端的ConnectRequest请求,处理如下:

    首先反序列化出ConnectRequest

    如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

    然后开始协商sessionTimeout时间

即判断用户传递过来的sessionTimeout时间是否在minSessionTimeout、maxSessionTimeout之间。协商完成之后,根据用户传递过来的sessionId是否是0进行不同的处理。客户端第一次请求,sessionId为0。当客户端已经连接过一个服务器地址,分配了sessionId,然后如果发生超时等异常,客户端会去拿着已经分配的sessionId去连接下一个服务器地址,此时的sessionId不为0。

sessionId为0,则代表着要创建session。sessionId不为0,则需要对该sessionId进行合法性检查,以及是否已经过期了的检查。

我们先来看看sessionId为0的情况:

![创建session](https://static.oschina.net/uploads/img/201508/01065436_4nHs.png "创建session")

大体上分三大步:1、使用sessionTracker根据sessionTimeout时间创建一个新的session 2、根据sessionId创建出密码
3、提交这个创建session的请求到请求处理器链,最终将sessionId和密码返回给客户端

下面来分别详细的说明这三个过程:

4.1 使用sessionTracker创建session

SessionTracker是用来创建删除session,执行session的过期检查的。

直接看下默认使用的SessionTrackerImpl:

如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

先看下session有哪些属性:

  • final long sessionId:session的唯一标示

  • final int timeout:这个session的timeout时间(即上文中客户端和服务器端商定下来的timeout时间)

  • long tickTime:这个session的下一次超时时间点(随着客户端不断的发送PING请求,就会不断的刷新该时间,不断的往后变化)

  • boolean isClosing:session的标示符,用于标示session是否还被正常使用

  • Object owner:创建该session的owner。会在客户端更换所连接的服务器的时候用到(之后详细说明)

然后再来看看SessionTracker的几个数据:

  • HashMap sessionsById:很简单,以sessionId存储session

  • ConcurrentHashMap sessionsWithTimeout:以sessionId存储每个session的timeout时间

  • HashMap sessionSets:某个时间点上的session集合(用于session过期检查)

  • long nextSessionId:初始的sessionId,之后创建的sessionId就在此基础上自增

  • nextExpirationTime:下一次过期时间点,每当到该时间点就会进行一次session的过期检查

  • expirationInterval:session过期检查的周期

要搞清楚的内容有:1 创建session的过程 2 session过期检查的过程

先来看看创建session的过程:代码很简单,就是创建一个SessionImpl对象,然后存储到SessionTracker中,同时开始计算session的超时时间。这里有一个内容就是sessionId的来历,我们可以看到就是根据nextSessionId来的,并且是不断自增的。

sessionId是一个客户端的重要标示,是全局唯一的,先来看看单机版的nextSessionId初始化:

如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

单机版的服务器使用1通过计算来初始化nextSessionId。而集群版对应的id则分别是每个机器指定的sid。

  • 第一步:就是取当前时间,为 10100111011100110110010101110100111100011 为41为二进制

  • 第二步:long有64位,左移24位,其实是除掉了前面的1,后面补了24位的0。

  • 第三步:第二步的结果可能是正数也可能是负数,目前是正数,之后可能就是负数了,你可以算一下需要多少年,哈哈。为了保证右移的时候,进行补0操作,需要使用无符号右移,即>>>。这里使用了无符号右移8位

  • 第四步:将传过来的id这里即1左移56位。然后再与第三步的正数结果进行或操作,得到最终的基准nextSessionId,所以当这里的id值不是很大的话,一般几台机器而已,也保证了sessionId是一个正数,同时前八位就是机器的sid号。所以每台机器的的前八位是不同的,保证了每台机器中不会配置相同的sessionId,每台机器的sessionId又是自增操作,所以单台机器内sessionId也是不会重复的。

综上所示保证了sessionId是唯一的,不会出现重复分配的情况。

搞清楚了sessionId的分配,接下来就要弄清楚如何进行session的过期检查问题:

我们先看下,session激活过程是怎么处理的:

如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

  • 首先获取这个session数据,然后计算它的超期时间

    long expireTime = roundToInterval(System.currentTimeMillis() + timeout);

    private long roundToInterval(long time) {

       // We give a one interval grace period
       return (time / expirationInterval + 1) * expirationInterval;

    }

    即是拿当前时间加上这个session的timeout时间,然后对其进行取expirationInterval的整,即始终保持是expirationInterval的正数倍,即每个session的过期时间点最终都会落在expirationInterval的整数倍上。

  • 如果原本该session的超期时间就大于你所计算出的超期时间,则不做任何处理,否则设置该session的超期时间为上述计算结果的超期时间。

  • 取出原本该session所在的超期时间,从集合里面删除

  • 重新获取现在超期时间所在的集合,添加进去

综上所述,session的激活其实就是重新计算下超时时间,最终取expirationInterval的正数倍,然后从之前时间点的集合中移除,然后再添加到新的时间点的集合中去。

至此,session的检查就方便多了,只需要在expirationInterval整数时间点上取出集合,然后一个个标记为过期即可。而那些不断被激活的session,则不断的从一个时间点的集合中换到下一个时间点的集合中。

SessionTrackerImpl也是一个线程,该线程执行内容就是session的过期检查。

4.2 根据sessionId创建出密码

回到创建session的三大步骤:

如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

来看下密码是如何来产生的:

Random r = new Random(sessionId ^ superSecret);
r.nextBytes(passwd);

其中superSecret为常量

static final private long superSecret = 0XB3415C00L;

使用Random的方式来随机生成字节数组。但是该字节数组,只要参数即sessionId相同,字节数组的内容就相同。即当我们知道了sessionId,就可以利用上述方式算出对应的密码,我感觉密码基本上没什么用。

再看下当客户端带着sessionId和密码进行连接的时候,这时会进行密码的检查

看了上面的代码,就再次验证了密码没什么鸟用,知道了sessionId,就完全知道了密码。所以这一块有待改进吧,应该不能由sessionId完全决定吧,如再加上当前时间等等,让客户端造不出来密码,同时服务器端存储加密后的密码。

4.2 提交这个创建session的请求到请求处理器链

本文内容已太多,这里就先简单描述下,之后再详细的讲解

如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析

如果是成功创建session,则把sessionTimeout、sessionId、passwd传递给客户端。如果没有成功创建,上述三者的值分别是0,0,new byte[16]

之后客户端处理该响应的过程,上面已经说了,可以回头再看下。

上述就是小编为大家分享的如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析了,如果刚好有类似的疑惑,不妨参照上述分析进行理解。如果想知道更多相关知识,欢迎关注创新互联行业资讯频道。


本文标题:如何进行ZooKeeper中的客户端创建连接过程分析
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