Zookeeper在分布式命名服务中的实践

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命名服务是为系统中的资源提供标识能力。ZooKeeper的命名服务主要是利用ZooKeeper节点的树形分层结构和子节点的顺序维护能力，来为分布式系统中的资源命名。

哪些应用场景需要用到分布式命名服务呢？典型的有：

• 分布式API目录

• 分布式节点命名

• 分布式ID生成器

1、分布式API目录

为分布式系统中各种API接口服务的名称、链接地址，提供类似JNDI（Java命名和目录接口）中的文件系统的功能。借助于ZooKeeper的树形分层结构就能提供分布式的API调用功能。

著名的Dubbo分布式框架就是应用了ZooKeeper的分布式的JNDI功能。在Dubbo中，使用ZooKeeper维护的全局服务接口API的地址列表。大致的思路为：

• 服务提供者（Service Provider）在启动的时候，向ZooKeeper上的指定节点/dubbo/${serviceName}/providers写入自己的API地址，这个操作就相当于服务的公开。

• 服务消费者（Consumer）启动的时候，订阅节点/dubbo/{serviceName}/providers下的服务提供者的URL地址，获得所有服务提供者的API。

2、分布式节点命名

一个分布式系统通常会由很多的节点组成，节点的数量不是固定的，而是不断动态变化的。比如说，当业务不断膨胀和流量洪峰到来时，大量的节点可能会动态加入到集群中。而一旦流量洪峰过去了，就需要下线大量的节点。再比如说，由于机器或者网络的原因，一些节点会主动离开集群。

如何为大量的动态节点命名呢？一种简单的办法是可以通过配置文件，手动为每一个节点命名。但是，如果节点数据量太大，或者说变动频繁，手动命名则是不现实的，这就需要用到分布式节点的命名服务。

可用于生成集群节点的编号的方案：

（1）使用数据库的自增ID特性，用数据表存储机器的MAC地址或者IP来维护。

（2）使用ZooKeeper持久顺序节点的顺序特性来维护节点的NodeId编号。

在第2种方案中，集群节点命名服务的基本流程是：

• 启动节点服务，连接ZooKeeper，检查命名服务根节点是否存在，如果不存在，就创建系统的根节点。

• 在根节点下创建一个临时顺序ZNode节点，取回ZNode的编号把它作为分布式系统中节点的NODEID。

• 如果临时节点太多，可以根据需要删除临时顺序ZNode节点。

3、分布式ID生成器

在分布式系统中，分布式ID生成器的使用场景非常之多：

• 大量的数据记录，需要分布式ID。

• 大量的系统消息，需要分布式ID。

• 大量的请求日志，如restful的操作记录，需要唯一标识，以便进行后续的用户行为分析和调用链路分析。

• 分布式节点的命名服务，往往也需要分布式ID。

• 。。。

传统的数据库自增主键已经不能满足需求。在分布式系统环境中，迫切需要一种全新的唯一ID系统，这种系统需要满足以下需求：

（1）全局唯一：不能出现重复ID。

（2）高可用：ID生成系统是基础系统，被许多关键系统调用，一旦宕机，就会造成严重影响。

有哪些分布式的ID生成器方案呢？大致如下：

1. Java的UUID。
2. 分布式缓存Redis生成ID：利用Redis的原子操作INCR和INCRBY，生成全局唯一的ID。
3. Twitter的SnowFlake算法。
4. ZooKeeper生成ID：利用ZooKeeper的顺序节点，生成全局唯一的ID。
5. MongoDb的ObjectId:MongoDB是一个分布式的非结构化NoSQL数据库，每插入一条记录会自动生成全局唯一的一个"_id"字段值，它是一个12字节的字符串，可以作为分布式系统中全局唯一的ID。

前面我写过一篇关于分布式ID的设计与实现，关于其他的实现可参考这篇哈

1、基于Zookeeper实现分布式ID生成器

在ZooKeeper节点的四种类型中，其中有以下两种类型具备自动编号的能力

• PERSISTENT_SEQUENTIAL持久化顺序节点。

• EPHEMERAL_SEQUENTIAL临时顺序节点。

ZooKeeper的每一个节点都会为它的第一级子节点维护一份顺序编号，会记录每个子节点创建的先后顺序，这个顺序编号是分布式同步的，也是全局唯一的。

可以通过创建ZooKeeper的临时顺序节点的方法，生成全局唯一的ID

/**
 * @author 小熊学Java
 * @version 1.0
 * @description: TODO
 * @date 2023/12/17 21:08
 */
public class IDMaker {
    private static final String ZOOKEEPER_ADDRESS = "ip:2181";
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 3000;

    public CuratorFramework client;
    public IDMaker() {
        // 重试策略
        RetryPolicy retryPolicy = new ExponentialBackoffRetry(1000, 3);
        client = CuratorFrameworkFactory.newClient(ZOOKEEPER_ADDRESS, retryPolicy);
        client.start();
    }

    /**
     * 根据路径创建
     * @param path
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public String createSeqNode(String path) throws Exception{
        return client.create()
                .creatingParentsIfNeeded()
                .withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL)
                .forPath(path);
    }

    public String createId(String path) throws Exception{
        String seqNode = createSeqNode(path);
        if (!StringUtils.isBlank(seqNode)){
            //获取末尾的序号
            int i = seqNode.lastIndexOf(path);
            if (i > 0){
                i += path.length();
                return i <= seqNode.length() ? seqNode.substring(i) : "";
            }
        }
        return seqNode;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        IDMaker idMaker = new IDMaker();
        String nodePath = "/javaxiaobear";
        for(int i=0;i<5;i++){
            new Thread(()->{
                for (int j=0;j<10;j++){
                    String id = null;
                    try {
                        id = idMaker.createId(nodePath);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程第" + j + "个创建的id为"+ id);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            },"thread"+i).start();
        }

        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

执行结果

2、基于Zookeeper实现SnowFlakeID算法

Twitter（推特）的SnowFlake算法是一种著名的分布式服务器用户ID生成算法。SnowFlake算法所生成的ID是一个64bit的长整型数字，如图10-2所示。这个64bit被划分成四个部分，其中后面三个部分分别表示时间戳、工作机器ID、序列号。

SnowFlakeID的四个部分，具体介绍如下：

（1）第一位 占用1 bit，其值始终是0，没有实际作用。

（2）时间戳 占用41 bit，精确到毫秒，总共可以容纳约69年的时间。

（3）工作机器id占用10 bit，最多可以容纳1024个节点。

（4）序列号 占用12 bit。这个值在同一毫秒同一节点上从0开始不断累加，最多可以累加到4095。

在工作节点达到1024顶配的场景下，SnowFlake算法在同一毫秒最多可以生成的ID数量为： 1024 * 4096 =4194304，在绝大多数并发场景下都是够用的。

SnowFlake算法的优点：

• 生成ID时不依赖于数据库，完全在内存生成，高性能和高可用性。

• 容量大，每秒可生成几百万个ID。

• ID呈趋势递增，后续插入数据库的索引树时，性能较高。

SnowFlake算法的缺点：

• 依赖于系统时钟的一致性，如果某台机器的系统时钟回拨了，有可能造成ID冲突，或者ID乱序。

• 在启动之前，如果这台机器的系统时间回拨过，那么有可能出现ID重复的危险。

基于zookeeper实现雪花算法：

public class SnowflakeIdGenerator {
 
    /**
     * 单例
     */
    public static SnowflakeIdGenerator instance =
            new SnowflakeIdGenerator();
 
 
    /**
     * 初始化单例
     *
     * @param workerId 节点Id,最大8091
     * @return the 单例
     */
    public synchronized void init(long workerId) {
        if (workerId > MAX_WORKER_ID) {
            // zk分配的workerId过大
            throw new IllegalArgumentException("woker Id wrong: " + workerId);
        }
        instance.workerId = workerId;
    }
 
    private SnowflakeIdGenerator() {
 
    }
 
 
    /**
     * 开始使用该算法的时间为: 2017-01-01 00:00:00
     */
    private static final long START_TIME = 1483200000000L;
 
    /**
     * worker id 的bit数，最多支持8192个节点
     */
    private static final int WORKER_ID_BITS = 13;
 
    /**
     * 序列号，支持单节点最高每毫秒的最大ID数1024
     */
    private final static int SEQUENCE_BITS = 10;
 
    /**
     * 最大的 worker id ，8091
     * -1 的补码（二进制全1）右移13位, 然后取反
     */
    private final static long MAX_WORKER_ID = ~(-1L << WORKER_ID_BITS);
 
    /**
     * 最大的序列号，1023
     * -1 的补码（二进制全1）右移10位, 然后取反
     */
    private final static long MAX_SEQUENCE = ~(-1L << SEQUENCE_BITS);
 
    /**
     * worker 节点编号的移位
     */
    private final static long WORKER_ID_SHIFT = SEQUENCE_BITS;
 
    /**
     * 时间戳的移位
     */
    private final static long TIMESTAMP_LEFT_SHIFT = WORKER_ID_BITS + SEQUENCE_BITS;
 
    /**
     * 该项目的worker 节点 id
     */
    private long workerId;
 
    /**
     * 上次生成ID的时间戳
     */
    private long lastTimestamp = -1L;
 
    /**
     * 当前毫秒生成的序列
     */
    private long sequence = 0L;
 
    /**
     * Next id long.
     *
     * @return the nextId
     */
    public Long nextId() {
        return generateId();
    }
 
    /**
     * 生成唯一id的具体实现
     */
    private synchronized long generateId() {
        long current = System.currentTimeMillis();
 
        if (current < lastTimestamp) {
            // 如果当前时间小于上一次ID生成的时间戳，说明系统时钟回退过，出现问题返回-1
            return -1;
        }
 
        if (current == lastTimestamp) {
            // 如果当前生成id的时间还是上次的时间，那么对sequence序列号进行+1
            sequence = (sequence + 1) & MAX_SEQUENCE;
 
            if (sequence == MAX_SEQUENCE) {
                // 当前毫秒生成的序列数已经大于最大值，那么阻塞到下一个毫秒再获取新的时间戳
                current = this.nextMs(lastTimestamp);
            }
        } else {
            // 当前的时间戳已经是下一个毫秒
            sequence = 0L;
        }
 
        // 更新上次生成id的时间戳
        lastTimestamp = current;
 
        // 进行移位操作生成int64的唯一ID
 
        //时间戳右移动23位
        long time = (current - START_TIME) << TIMESTAMP_LEFT_SHIFT;
 
        //workerId 右移动10位
        long workerId = this.workerId << WORKER_ID_SHIFT;
 
        return time | workerId | sequence;
    }
 
    /**
     * 阻塞到下一个毫秒
     */
    private long nextMs(long timeStamp) {
        long current = System.currentTimeMillis();
        while (current <= timeStamp) {
            current = System.currentTimeMillis();
        }
        return current;
    }
}