ZooKeeper 数据模型

ZooKeeper 数据模型

ZooKeeper 拥有层次化的命名空间，类似分布式文件系统，但每个节点不仅能有子节点，还可关联数据。节点路径为规范的绝对路径，用斜杠分隔，无相对引用。路径命名有如下约束：

• 路径名不能包含空字符 \u0000。
• 不能使用显示不佳或易混淆的字符，如 \u0001 - \u001F、\u007F、\u009F。
• 禁止使用 \ud800 - \uF8FF、\uFFF0 - \uFFFF 这些字符。
• 虽然 . 可作为其他名称的一部分，但 . 和 .. 不能单独用于表示路径中的节点，因为 ZooKeeper 不使用相对路径。
• 保留关键字 zookeeper 不可用。

1. ZNodes（ZooKeeper 节点）

• 状态结构（Stat Structure）：每个 ZNode 维护一个状态结构，包含数据变更、ACL 变更的版本号以及时间戳。版本号和时间戳用于验证缓存和协调更新。每次 ZNode 数据变更，版本号都会增加。客户端更新或删除数据时需提供版本号，若版本号不匹配，操作将失败（该行为可被覆盖）。
• 节点角色定义：在 ZooKeeper 文档中，ZNode 指数据节点；服务器指构成 ZooKeeper 服务的机器；法定节点指构成集群的服务器；客户端指使用 ZooKeeper 服务的主机或进程。

2. Watches（监听机制）

客户端可对 ZNode 设置监听，ZNode 发生变化时触发监听并清除。监听触发后，ZooKeeper 会向客户端发送通知。

3. 数据访问

• 原子性：命名空间中每个 ZNode 存储的数据读写是原子操作，读操作获取所有关联数据字节，写操作替换所有数据。
• 访问控制：每个节点有访问控制列表（ACL），用于限制访问权限。
• 数据规模：ZooKeeper 并非通用数据库或大对象存储，主要管理协调数据，数据通常较小（以千字节为单位）。客户端和服务器实现会检查确保 ZNode 数据小于 1M，实际数据应更小。处理大数据会增加操作时间和影响延迟，若需存储大数据，可将其存于 NFS 或 HDFS 等大容量存储系统，在 ZooKeeper 中存储指向这些存储位置的指针。

4. 特殊类型的 ZNodes

• 临时节点（Ephemeral Nodes）：只要创建该 ZNode 的会话处于活动状态，临时节点就存在。会话结束，ZNode 会被删除，且临时节点不允许有子节点。可使用 getEphemerals() API 获取会话创建的临时节点列表，常用于服务发现场景。
• 顺序节点（Sequence Nodes）：创建 ZNode 时，可要求 ZooKeeper 在路径末尾添加单调递增的计数器，该计数器对父节点唯一，格式为 %010d（10 位数字，前补 0）。计数器是父节点维护的有符号整数（4 字节），超过 2147483647 会溢出。
• 容器节点（Container Nodes，3.6.0 版本引入）：用于特定场景，如领导者选举、锁机制等。当容器的最后一个子节点被删除，容器节点未来某个时刻可能被服务器删除。创建容器节点的子节点时，要处理 KeeperException.NoNodeException 异常，若发生该异常需重新创建容器节点。
• TTL 节点（TTL Nodes，3.6.0 版本引入）：创建持久或持久顺序 ZNode 时，可选择设置以毫秒为单位的 TTL。若 ZNode 在 TTL 内未被修改且无子节点，未来某个时刻可能被服务器删除。默认情况下 TTL 节点功能禁用，需通过系统属性启用，否则创建时会抛出 KeeperException.UnimplementedException 异常。

5. ZooKeeper 中的时间跟踪

• Zxid（ZooKeeper 事务 ID）：ZooKeeper 状态的每次变更都会获得一个 Zxid 标记，体现所有变更的全局顺序。每个变更有唯一 Zxid，若 zxid1 < zxid2，则 zxid1 变更先于 zxid2 变更发生。
• 版本号：节点的每次变更会使节点的某个版本号增加，包括数据版本号（version）、子节点版本号（cversion）和 ACL 版本号（aversion）。
• Ticks：多服务器模式下，服务器用 Ticks 定义事件时间，如状态上传、会话超时、节点间连接超时等。Tick 时间通过最小会话超时（2 倍 Tick 时间）间接暴露，若客户端请求的会话超时小于最小会话超时，服务器会将实际会话超时设为最小会话超时。
• 实时时间：ZooKeeper 仅在 ZNode 创建和修改时在状态结构中记录时间戳，不使用实时时间。

6. ZooKeeper 状态结构（Stat Structure）

每个 ZNode 的状态结构包含以下字段：

• czxid：创建该 ZNode 的变更的 Zxid。
• mzxid：最后修改该 ZNode 的变更的 Zxid。
• pzxid：最后修改该 ZNode 子节点的变更的 Zxid。
• ctime：该 ZNode 创建的时间（从纪元开始的毫秒数）。
• mtime：该 ZNode 最后修改的时间（从纪元开始的毫秒数）。
• version：该 ZNode 数据的变更次数。
• cversion：该 ZNode 子节点的变更次数。
• aversion：该 ZNode ACL 的变更次数。
• ephemeralOwner：若该 ZNode 是临时节点，为其所有者会话 ID；否则为 0。
• dataLength：该 ZNode 数据字段的长度。
• numChildren：该 ZNode 的子节点数量。