一文了解Zookeeper的Watcher机制

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Zookeeper系列介绍(持续更新

  Zookeeper提供了数据的发布/订阅功能,多个订阅者可同时监听某一特定主题对象,当该主题对象的自身状态发生变化时(例如节点内容改变、节点下的子节点列表改变等),会实时、主动通知所有订阅者。

  Zookeeper采用了Watcher机制实现数据的发布/订阅功能。该机制在被订阅对象发生变化时会异步通知客户端,因此客户端不必在Watcher注册后轮询阻塞,从而减轻了客户端压力。

Watcher机制实际上与观察者模式类似,也可看作是一种观察者模式在分布式场景下的实现方式。

watcher架构

Watcher实现由三个部分组成:

  • Zookeeper服务端;
  • Zookeeper客户端;
  • 客户端的ZKWatchManager对象;

  客户端首先将Watcher注册到服务端,同时将Watcher对象保存到客户端的Watch管理器中。当ZooKeeper服务端监听的数据状态发生变化时,服务端会主动通知客户端,接着客户端的Watch管理器会触发相关Watcher来回调相应处理逻辑,从而完成整体的数据发布/订阅流程。


Watcher架构

Watcher特性

特性 说明
一次性 Watcher是一次性的,一旦被触发就会移除,再次使用时需要重新注册
客户端顺序回调 Watcher回调是顺序串行化执行的,只有回调后客户端才能看到最新的数据状态。一个Watcher回调逻辑不应该太多,以免影响别的watcher执行
轻量级 WatchEvent是最小的通信单元,结构上只包含通知状态、事件类型和节点路径,并不会告诉数据节点变化前后的具体内容;
时效性 Watcher只有在当前session彻底失效时才会无效,若在session有效期内快速重连成功,则watcher依然存在,仍可接收到通知;

Watcher接口设计

  Watcher是一个接口,任何实现了Watcher接口的类就是一个新的Watcher。Watcher内部包含了两个枚举类:KeeperState、EventType。

watcher类图

Watcher通知状态(KeeperState)

  KeeperState是客户端与服务端连接状态发生变化时对应的通知类型。路径为org.apache.zookeeper.Watcher.Event.KeeperState,是一个枚举类,其枚举属性如下;

枚举属性 说明
Unknown(-1) 属性过期
Disconnected(0) 客户端与服务器断开连接时
NoSyncConnected(1) 属性过期
SyncConnected(3) 客户端与服务器正常连接时
AuthFailed(4) 身份认证失败时
ConnectedReadOnly(5) 3.3.0版本后支持只读模式,一般情况下ZK集群中半数以上服务器正常,zk集群才能正常对外提供服务。该属性的意义在于:若客户端设置了允许只读模式,则当zk集群中只有少于半数的服务器正常时,会返回这个状态给客户端,此时客户端只能处理读请求
SaslAuthenticated(6) 服务器采用SASL做校验时
Expired(-112) 会话session失效时

Watcher事件类型(EventType)

  EventType是数据节点(znode)发生变化时对应的通知类型。EventType变化时KeeperState永远处于SyncConnected通知状态下;当KeeperState发生变化时,EventType永远为None。其路径为org.apache.zookeeper.Watcher.Event.EventType,是一个枚举类,枚举属性如下;

枚举属性 说明
None (-1)
NodeCreated (1) Watcher监听的数据节点被创建时
NodeDeleted (2) Watcher监听的数据节点被删除时
NodeDataChanged (3) Watcher监听的数据节点内容发生变更时(无论内容数据是否变化)
NodeChildrenChanged (4) Watcher监听的数据节点的子节点列表发生变更时

:客户端接收到的相关事件通知中只包含状态及类型等信息,不包括节点变化前后的具体内容,变化前的数据需业务自身存储,变化后的数据需调用get等方法重新获取;

Watcher注册及通知流程

  • 客户端Watcher管理器:ZKWatchManager数据结构
//ZKWatchManager维护了三个map,key代表数据节点的绝对路径,value代表注册在当前节点上的watcher集合

//代表节点上内容数据、状态信息变更相关监听
private final Map<String, Set<Watcher>> dataWatches =
    new HashMap<String, Set<Watcher>>();

//代表节点变更相关监听
private final Map<String, Set<Watcher>> existWatches =
    new HashMap<String, Set<Watcher>>();

//代表节点子列表变更相关监听
private final Map<String, Set<Watcher>> childWatches =
    new HashMap<String, Set<Watcher>>();
  • 服务端Watcher管理器:WatchManager数据结构
//WatchManager维护了两个map
//说明:WatchManager中的Watcher对象不是客户端用户定义的Watcher,
//     而是服务端中实现了Watcher接口的ServerCnxn抽象类,
//     该抽象类代表了一个客户端与服务端的连接

//key代表数据节点路径,value代表客户端连接的集合,该map作用为:
//通过一个指定znode路径可找到其映射的所有客户端,当znode发生变更时
//可快速通知所有注册了当前Watcher的客户端
private final HashMap<String, HashSet<Watcher>> watchTable =
    new HashMap<String, HashSet<Watcher>>();

//key代表一个客户端与服务端的连接,value代表当前客户端监听的所有数据节点路径
//该map作用为:当一个连接彻底断开时,可快速找到当前连接对应的所有
//注册了监听的节点,以便移除当前客户端对节点的Watcher
private final HashMap<Watcher, HashSet<String>> watch2Paths =
    new HashMap<Watcher, HashSet<String>>();
  • Watcher注册流程
//Packet对象构造函数
//参数含义:请求头、响应头、请求体、响应体、Watcher封装的注册体、是否允许只读
Packet(RequestHeader requestHeader, ReplyHeader replyHeader,
               Record request, Record response,
               WatchRegistration watchRegistration, boolean readOnly) {

            this.requestHeader = requestHeader;
            this.replyHeader = replyHeader;
            this.request = request;
            this.response = response;
            this.readOnly = readOnly;
            this.watchRegistration = watchRegistration;
        }
Watcher注册流程.png
1. 客户端发送的请求中只包含是否需要注册Watcher,不会将Watcher实体发送;
2. Packet构造函数中的参数WatchRegistration是Watcher的封装体,用于服务响应成功后将Watcher保存到ZKWatchManager中;
  • Watcher通知流程


    Watcher通知流程

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