本文作者:HelloGitHub-老荀

Hi,这里是 HelloGitHub 推出的 HelloZooKeeper 系列,免费开源、有趣、入门级的 ZooKeeper 教程,面向有编程基础的新手。

项目地址:https://github.com/HelloGitHub-Team/HelloZooKeeper

今儿就带大家打入 ZooKeeper 的源码内部!

一、源码调试

授人以鱼不如授人以渔

我始终相信 “纸上得来终觉浅”,最终读者想要自己真正了解到 ZK 内部原理,阅读源码还是必不可少的,如果你们和我一样也拥有肉眼 Debug 的能力,那其实可以不用大费周章搭建源码调试环境,直接正面硬刚。

但是如果没有的话,把 ZK 源码下载下来,使用称手的 IDE 直接跑起来,然后在需要学习的地方直接打断点,岂不是美滋滋

1.1 下载源码

ZooKeeper 3.6.2 源码下载页面

上面的链接中随便选一个下载速度快的,点击下载压缩包即可,下载完成后解压缩就会得到如下的目录结构

.
├── zookeeper-server
├── zookeeper-recipes
├── zookeeper-metrics-providers
├── zookeeper-jute
├── zookeeper-it
├── zookeeper-docs
├── zookeeper-contrib
├── zookeeper-compatibility-tests
├── zookeeper-client
├── zookeeper-assembly
├── zk-merge-pr.py
├── pom.xml
├── owaspSuppressions.xml
├── excludeFindBugsFilter.xml
├── dev
├── conf
├── checkstyleSuppressions.xml
├── checkstyle-strict.xml
├── checkstyle-simple.xml
├── bin
├── README_packaging.md
├── README.md
├── NOTICE.txt
├── LICENSE.txt
├── Jenkinsfile-PreCommit
└── Jenkinsfile

目录中是有 pom.xml 所以 ZK 需要通过 maven 编译整个项目,先确保自己的 maven 是安装好的

$ mvn --version
Apache Maven 3.5.4 (1edded0938998edf8bf061f1ceb3cfdeccf443fe; 2018-06-18T02:33:14+08:00)
Maven home: /your/maven/home/apache-maven-3.5.4
Java version: 1.8.0_181, vendor: Oracle Corporation, runtime: /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre
Default locale: zh_CN, platform encoding: UTF-8
OS name: "mac os x", version: "10.16", arch: "x86_64", family: "mac"

如果有这样的输出说明 maven 是安装成功的,具体安装过程我这里就略过了,如果你有困难的话,可以留言给我们

1.2 编译项目

进入和 pom.xml 同级目录中并输入

$ mvn install -DskipTests=true

就会看到项目在进行编译了,等到最后的输出 BUILD SUCCESS,就说明项目编译完成了

[INFO] Reactor Summary:
[INFO]
[INFO] Apache ZooKeeper 3.6.2 ............................. SUCCESS [ 3.621 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Documentation ................... SUCCESS [ 2.086 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Jute ............................ SUCCESS [ 10.633 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Server .......................... SUCCESS [ 19.246 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Metrics Providers ............... SUCCESS [ 0.108 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Prometheus.io Metrics Provider .. SUCCESS [ 1.286 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Client .......................... SUCCESS [ 0.083 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Recipes ......................... SUCCESS [ 0.092 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Recipes - Election .............. SUCCESS [ 0.244 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Recipes - Lock .................. SUCCESS [ 0.259 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Recipes - Queue ................. SUCCESS [ 0.295 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Assembly ........................ SUCCESS [ 5.425 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Compatibility Tests ............. SUCCESS [ 0.072 s]
[INFO] Apache ZooKeeper - Compatibility Tests - Curator 3.6.2 SUCCESS [ 0.432 s]
[INFO] ------------------------------------------------------------------------
[INFO] BUILD SUCCESS
[INFO] ------------------------------------------------------------------------
[INFO] Total time: 44.263 s
[INFO] Finished at: 2021-01-22T13:49:30+08:00
[INFO] ------------------------------------------------------------------------

1.3 打开并配置项目

之后就可以通过你的 IDE 打开这个目录了,我这里使用的是 idea

然后开始配置 Run/Debug Configurations

点击 + 添加新的配置

选择 Application

1.3.1 单机版启动配置

然后配置按照下图去填写或选择

  1. 先给这个配置起一个牛逼的名字
  2. 选择 Modify options 打开子菜单
  3. 确保图中菜单中的三个子选项都被选中(前面有 √)

然后我们看具体的配置

在我电脑上解压缩后的项目路径为 /Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2 读者请根据自己情况修改

  1. 选择你本地 jdk (我本地是 1.8 其他版本的不知道行不行,低版本肯定是不行,因为源码中用到了 1.8 的一些写法)
  2. 选择 zookeeper
  3. 配置 VM options,内容为 -Dlog4j.configuration=file:/Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2/conf/log4j.properties,如果不配置的话,无法输出日志
  4. 指定启动类 org.apache.zookeeper.server.ZooKeeperServerMain
  5. 单机版启动需要命令行参数,内容为 2181 /Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2/data
  6. 这个应该是不用修改,自动就会填上的,反正内容就是 /Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2
  7. 点击中间的 + 添加包路径,内容为 org.apache.zookeeper.server.*

然后点击 Apply 以及 OK 完成保存。

然后点击这个小虫子就可以启动了

2021-01-22 15:12:16,319 [myid:] - INFO [main:NIOServerCnxnFactory@674] - binding to port 0.0.0.0/0.0.0.0:2181
2021-01-22 15:12:16,413 [myid:] - INFO [main:WatchManagerFactory@42] - Using org.apache.zookeeper.server.watch.WatchManager as watch manager
2021-01-22 15:12:16,413 [myid:] - INFO [main:WatchManagerFactory@42] - Using org.apache.zookeeper.server.watch.WatchManager as watch manager
2021-01-22 15:12:16,413 [myid:] - INFO [main:ZKDatabase@132] - zookeeper.snapshotSizeFactor = 0.33
2021-01-22 15:12:16,413 [myid:] - INFO [main:ZKDatabase@152] - zookeeper.commitLogCount=500
2021-01-22 15:12:16,429 [myid:] - INFO [main:SnapStream@61] - zookeeper.snapshot.compression.method = CHECKED
2021-01-22 15:12:16,432 [myid:] - INFO [main:FileSnap@85] - Reading snapshot /Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2/data/version-2/snapshot.2
2021-01-22 15:12:16,444 [myid:] - INFO [main:DataTree@1737] - The digest value is empty in snapshot
2021-01-22 15:12:16,480 [myid:] - INFO [main:ZKDatabase@289] - Snapshot loaded in 67 ms, highest zxid is 0x2, digest is 1371985504
2021-01-22 15:12:16,481 [myid:] - INFO [main:FileTxnSnapLog@470] - Snapshotting: 0x2 to /Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2/data/version-2/snapshot.2
2021-01-22 15:12:16,488 [myid:] - INFO [main:ZooKeeperServer@529] - Snapshot taken in 6 ms
2021-01-22 15:12:16,544 [myid:] - INFO [ProcessThread(sid:0 cport:2181)::PrepRequestProcessor@136] - PrepRequestProcessor (sid:0) started, reconfigEnabled=false
2021-01-22 15:12:16,546 [myid:] - INFO [main:RequestThrottler@74] - zookeeper.request_throttler.shutdownTimeout = 10000
2021-01-22 15:12:16,623 [myid:] - INFO [main:ContainerManager@83] - Using checkIntervalMs=60000 maxPerMinute=10000 maxNeverUsedIntervalMs=0
2021-01-22 15:12:16,628 [myid:] - INFO [main:ZKAuditProvider@42] - ZooKeeper audit is disabled.

看到日志输出,如果没有报错的话就是成功了!

然后我们可以用客户端测试下

ZooKeeper client = new ZooKeeper("127.0.0.1:2181", 3000, null);
List<String> children = client.getChildren("/", false);
System.out.println(children);
client.close();

输出为

[zookeeper]

单机版的搞定了!我们下面试试集群版

1.3.2 集群版启动配置

我们有时候需要调试集群版 ZK 才有的逻辑,那之前的单机版就不够用了,并且我这里推荐将之前的源码压缩包,解压到两个不同的目录下,然后通过 IDE 分别打开这两个目录,去完全模拟两个不同的节点。集群版的和单机版配置是差不多的,我们来看看有哪些不一样的吧?我这里演示就启动两个节点 myid 分别是 1 和 2。

  1. 首先将默认的 zoo_sample.cfg 复制并重命名成 zoo.cfg,也可以直接重命名
  2. 新建 data 目录(如果没有的话),并在其下新建一个文本文件 myid 文本内容是 1

然后编辑下 zoo.cfg

# 修改
dataDir=/Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2/data
# 新增下面两行
server.1=127.0.0.1:2888:3888
server.2=127.0.0.1:2887:3887

具体的配置如下:

  1. 启动类不同,集群的为 org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumPeerMain
  2. 命令行参数不同,传入的是 zoo.cfg 路径,我的路径是 /Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2/conf/zoo.cfg

然后是配置第二个节点,我这里假设第二个节点的项目目录是 /Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2-bak

第二个节点把 myid 文件中的内容修改为 2

zoo.cfg 中内容是

# 修改
dataDir=/Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2-bak/data
# 修改,因为我两个节点是在一台机器中的,所以端口是不能重复的
clientPort=2182
# 同样新增下面两行
server.1=127.0.0.1:2888:3888
server.2=127.0.0.1:2887:3887

命令行的参数是 /Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2-bak/conf/zoo.cfg

其他我没提到的和节点 1 是一样的。

我们启动两个节点试试

2021-01-22 15:44:08,461 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):WatchManagerFactory@42] - Using org.apache.zookeeper.server.watch.WatchManager as watch manager
2021-01-22 15:44:08,461 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):WatchManagerFactory@42] - Using org.apache.zookeeper.server.watch.WatchManager as watch manager
2021-01-22 15:44:08,471 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):Learner@677] - Learner received NEWLEADER message
2021-01-22 15:44:08,471 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):QuorumPeer@1811] - Dynamic reconfig is disabled, we don't store the last seen config.
2021-01-22 15:44:08,471 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):FileTxnSnapLog@470] - Snapshotting: 0x28100000001 to /Users/junjiexun/Desktop/apache-zookeeper-3.6.2/data/version-2/snapshot.28100000001
2021-01-22 15:44:08,472 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):ZooKeeperServer@529] - Snapshot taken in 1 ms
2021-01-22 15:44:08,525 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):Learner@661] - Learner received UPTODATE message
2021-01-22 15:44:08,525 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):QuorumPeer@868] - Peer state changed: following - synchronization
2021-01-22 15:44:08,537 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):CommitProcessor@476] - Configuring CommitProcessor with readBatchSize -1 commitBatchSize 1
2021-01-22 15:44:08,537 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):CommitProcessor@438] - Configuring CommitProcessor with 4 worker threads.
2021-01-22 15:44:08,544 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):RequestThrottler@74] - zookeeper.request_throttler.shutdownTimeout = 10000
2021-01-22 15:44:08,567 [myid:1] - INFO [QuorumPeer[myid=1](plain=[0:0:0:0:0:0:0:0]:2181)(secure=disabled):QuorumPeer@863] - Peer state changed: following - broadcast

最后的 Peer state changed 代表选举完成了,贴出来的这个节点 1 是 Follower,大功告成!

之后当你想要学习源码的流程的时候,直接本地启动服务端即可,是不是美滋滋呢~

1.4 源码阅读指北

  • 服务端启动,集群 QuorumPeerMain#main,单机 ZooKeeperServerMain#main
  • 客户端 ZooKeeper
  • 解析配置相关,QuorumPeerConfig#parse
  • 内存模型(小红本)DataTree
  • 回调通知(小黄本)IWatchManager 查看该接口实现
    • 默认实现 WatchManager
    • 优化方案 WatchManagerOptimized
  • 选举 FastLeaderElection#lookForLeader
  • 服务端实例,设置流水线 setupRequestProcessors 方法
    • Leader 节点 LeaderZooKeeperServer
    • Follower 节点 FollowerZooKeeperServer
    • Observer 节点 ObserverZooKeeperServer
  • 各个流水线员工 RequestProcessor 查看该接口的实现
  • 持久化 log FileTxnLog,snapshot FileSnap
  • 会话管理 SessionTrackerImpl#run
  • 协议 Record 查看该接口的实现

1.5 源码阅读心得

阅读大型项目的源码一定是一个费时费心费力的工作,我这里也讲一下我阅读 ZK 源码的心得:

  • 不要死抠细节!大型项目的源码数量通常比较多,如果盯着逻辑中的每一个细节,就会迷失在源码的汪洋大海中。
  • 通常阅读源码都要带着一个目的。例如:ZK 是怎么进行协议转换的,ZK 是怎么选举的等等。有了目的以后,看相关源码是要选择性的忽略一些其他不相关的细节,可以通过方法名或者注释,来对具体的代码块先有一个感性的认识。
  • 碰到读不懂的地方,可以先去网上看看有没有人写过类似的博客,站在巨人的肩膀上,很可能别人一点你就通了。
  • 在 ZK 中一般间接或者直接继承 ZooKeeperThread 都是线程对象,主要逻辑可以查看 run 方法。
  • 任何一个类重要的属性肯定是在成员字段中,通过查看成员字段是可以大致推测出该类背后的数据结构。
  • 成员属性中如果有阻塞队列的字段,大概率会是生产者-消费者模式的体现,可以重点关注该阻塞队列的使用,何时放入以及取出元素。

1.6 小结

我用一些图文的篇幅介绍了如何在本地调试 ZK 源码,以及如何科学的阅读源码。我本地的环境是 Mac,用的 IDE 是 idea,如果你的环境或者工具和我不一样,碰到了困难的话,也可以给我们留言哦~

二、ZK 中应用到的设计模式

ZK 本身就是分布式的应用,也是优秀的开源项目,我这里就简单聊聊我在阅读源码中看到的应用在 ZK 里的设计模式吧

2.1 生产者消费者

这个是 ZK 中非常有代表性的设计模式应用了,ZK 本身是 C/S 架构的设计,请求就是客户端发送给服务端数据,响应则是服务端发送给客户端数据,而 ZK 实现一些功能并不是通过线性顺序的去调用不同的方法去完成的,通常会由生产者线程,阻塞队列和消费者线程组成,生产者线程将上游收到的一些请求对象放入阻塞队列,当前的方法就返回了,之后由消费者线程通过循环不停的从阻塞队列中获取,再完成之后的业务逻辑。举例:

  • PrepRequestProcessor,阻塞队列是 submittedRequests
  • SyncRequestProcessor,阻塞队列是 queuedRequests

2.2 工厂模式

有一些接口的实现,ZK 本身提供了默认的选择,但是如果使用者在配置中配置了其他的实现的话,ZK 的工厂就会自动去创建那些其他的实现。举例:

  • 在创建 ClientCnxnSocket 时,会根据 zookeeper.clientCnxnSocket 的配置去选择客户端的 IO 实现
  • 在创建 IWatchManager 时,会根据 zookeeper.watchManagerName 的配置去选择服务端的 watch 管理实现
  • 在创建 ServerCnxnFactory 时,会根据 zookeeper.serverCnxnFactory 的配置去选择服务端的 IO 工厂实现

2.3 责任链模式

之前有学习过,ZK 服务端业务逻辑处理是通过将一个个 XxxProcessor 串起来实现的,Processor 彼此不关心调用顺序,仅仅通过 nextProcessor 关联,不同的服务端角色也可以通过这种方式极大的复用代码

  • 单机模式下:PrepRequestProcessor -> SyncRequestProcessor -> FinalRequestProcessor
  • 集群模式下 Leader :LeaderRequestProcessor -> PrepRequestProcessor -> ProposalRequestProcessor -> CommitProcessor -> Leader.ToBeAppliedRequestProcessor -> FinalRequestProcessor
  • 集群模式下 Follower :FollowerRequestProcessor -> CommitProcessor -> FinalRequestProcessor
  • 集群模式下 Observer :ObserverRequestProcessor -> CommitProcessor -> FinalRequestProcessor

2.4 策略模式

zookeeper.snapshot.compression.method 可以配置成不同的 snapshot 压缩算法,当需要生成 snapshot 文件的时候,会根据不同的压缩算法去执行:

  • gzGZIPInputStream
  • snappySnappyInputStream
  • 默认:BufferedInputStream

2.5 装饰器模式

还是刚刚的压缩算法,对外提供的是 CheckedInputStream 的统一处理对象,使用 CheckedInputStream 将上面三种压缩实现包装起来,这些对象全部都是 InputStream 的子类

switch (根据不同的配置) {
// 策略模式的体现
case GZIP:
is = new GZIPInputStream(fis);
break;
case SNAPPY:
is = new SnappyInputStream(fis);
break;
case CHECKED:
default:
is = new BufferedInputStream(fis);
}
// 都被包装进了 CheckedInputStream
// 装饰器模式的体现
return new CheckedInputStream(is, new Adler32());

三、总结

今天我讲了如何直接从 ZK 源码 DEBUG,介绍了一些 ZK 中用到的设计模式,大家有阅读源码问题的话,欢迎给我留言哦。本文首发于 「HelloGitHub」公众号

下一期介绍 ZK 的高级用法纯实战,期待一下吧~

老规矩,如果你有任何对文章中的疑问也可以是建议或者是对 ZK 原理部分的疑问,欢迎来仓库中提 issue 给我们,或者来语雀话题讨论。

地址:https://www.yuque.com/kaixin1002/yla8hz

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