Zookeeper经典应用场景实战
而一旦流量洪峰过去了，就需要下线大量的节点。在 Curator 中，可以使用 create 函数创建数据节点，并通过 withMode 函数指定节点类型（持久化节点，临时节点，顺序节点，临时顺序节点，持久化顺序节点等），默认是持久化节点，之后调用 forPath 函数来指定节点的路径和数据信息。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
1. Zookeeper Java客户端实战
ZooKeeper应用的开发主要通过Java客户端API去连接和操作ZooKeeper集群。可供选择的Java客户端API有：
- ZooKeeper官方的Java客户端API。
- 第三方的Java客户端API，比如Curator。
ZooKeeper官方的客户端API提供了基本的操作。例如，创建会话、创建节点、读取节点、更新数据、删除节点和检查节点是否存在等。不过，对于实际开发来说，ZooKeeper官方API有一些不足之处，具体如下：
- ZooKeeper的Watcher监测是一次性的，每次触发之后都需要重新进行注册。
- 会话超时之后没有实现重连机制。
- 异常处理烦琐，ZooKeeper提供了很多异常，对于开发人员来说可能根本不知道应该如何处理这些抛出的异常。
- 仅提供了简单的byte[]数组类型的接口，没有提供Java POJO级别的序列化数据处理接口。
- 创建节点时如果抛出异常，需要自行检查节点是否存在。
- 无法实现级联删除。
总之，ZooKeeper官方API功能比较简单，在实际开发过程中比较笨重，一般不推荐使用。
1.1 Zookeeper 原生Java客户端使用
引入zookeeper client依赖
<!-- zookeeper client -->
<dependency>
<groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
<artifactId>zookeeper</artifactId>
<version>3.8.0</version>
</dependency>
注意：保持与服务端版本一致，不然会有很多兼容性的问题
ZooKeeper原生客户端主要使用org.apache.zookeeper.ZooKeeper这个类来使用ZooKeeper服务。
ZooKeeper常用构造器
ZooKeeper (connectString, sessionTimeout, watcher)
- connectString:使用逗号分隔的列表，每个ZooKeeper节点是一个host.port对，host 是机器名或者IP地址，port是ZooKeeper节点对客户端提供服务的端口号。客户端会任意选取connectString 中的一个节点建立连接。
- sessionTimeout : session timeout时间。
- watcher:用于接收到来自ZooKeeper集群的事件。
使用 zookeeper 原生 API,连接zookeeper集群
public class ZkClientDemo {
private static final String CONNECT_STR="localhost:2181";
private final static String CLUSTER_CONNECT_STR="192.168.65.156:2181,192.168.65.190:2181,192.168.65.200:2181";
public static void main(String[] args) throws Exception {
final CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(1);
ZooKeeper zooKeeper = new ZooKeeper(CLUSTER_CONNECT_STR,
4000, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent event) {
if(Event.KeeperState.SyncConnected==event.getState()
&& event.getType()== Event.EventType.None){
//如果收到了服务端的响应事件，连接成功
countDownLatch.countDown();
System.out.println("连接建立");
}
}
});
System.out.printf("连接中");
countDownLatch.await();
//CONNECTED
System.out.println(zooKeeper.getState());
//创建持久节点
zooKeeper.create("/user","fox".getBytes(),
ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
}
}
Zookeeper主要方法
- create(path, data, acl,createMode): 创建一个给定路径的 znode，并在 znode 保存 data[]的 数据，createMode指定 znode 的类型。
- delete(path, version):如果给定 path 上的 znode 的版本和给定的 version 匹配， 删除 znode。
- exists(path, watch):判断给定 path 上的 znode 是否存在，并在 znode 设置一个 watch。
- getData(path, watch):返回给定 path 上的 znode 数据，并在 znode 设置一个 watch。
- setData(path, data, version):如果给定 path 上的 znode 的版本和给定的 version 匹配，设置 znode 数据。
- getChildren(path, watch):返回给定 path 上的 znode 的孩子 znode 名字，并在 znode 设置一个 watch。
- sync(path):把客户端 session 连接节点和 leader 节点进行同步。
方法特点：
- 所有获取 znode 数据的 API 都可以设置一个 watch 用来监控 znode 的变化。
- 所有更新 znode 数据的 API 都有两个版本: 无条件更新版本和条件更新版本。如果 version 为 -1，更新为无条件更新。否则只有给定的 version 和 znode 当前的 version 一样，才会进行更新，这样的更新是条件更新。
- 所有的方法都有同步和异步两个版本。同步版本的方法发送请求给 ZooKeeper 并等待服务器的响 应。异步版本把请求放入客户端的请求队列，然后马上返回。异步版本通过 callback 来接受来 自服务端的响应。
同步创建节点：
@Test
public void createTest() throws KeeperException, InterruptedException {
String path = zooKeeper.create(ZK_NODE, "data".getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
log.info("created path: {}",path);
}
异步创建节点：
@Test
public void createAsycTest() throws InterruptedException {
zooKeeper.create(ZK_NODE, "data".getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.PERSISTENT,
(rc, path, ctx, name) -> log.info("rc {},path {},ctx {},name {}",rc,path,ctx,name),"context");
TimeUnit.SECONDS.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
修改节点数据
@Test
public void setTest() throws KeeperException, InterruptedException {
Stat stat = new Stat();
byte[] data = zooKeeper.getData(ZK_NODE, false, stat);
log.info("修改前: {}",new String(data));
zooKeeper.setData(ZK_NODE, "changed!".getBytes(), stat.getVersion());
byte[] dataAfter = zooKeeper.getData(ZK_NODE, false, stat);
log.info("修改后: {}",new String(dataAfter));
}
1.2 Curator开源客户端使用
Curator是Netflix公司开源的一套ZooKeeper客户端框架，和ZkClient一样它解决了非常底层的细节开发工作，包括连接、重连、反复注册Watcher的问题以及NodeExistsException异常等。
Curator是Apache基金会的顶级项目之一，Curator具有更加完善的文档，另外还提供了一套易用性和可读性更强的Fluent风格的客户端API框架。
Curator还为ZooKeeper客户端框架提供了一些比较普遍的、开箱即用的、分布式开发用的解决方案，例如Recipe、共享锁服务、Master选举机制和分布式计算器等，帮助开发者避免了“重复造轮子”的无效开发工作。
Guava is to Java that Curator to ZooKeeper
在实际的开发场景中，使用Curator客户端就足以应付日常的ZooKeeper集群操作的需求。
官网：https://curator.apache.org/
引入依赖
Curator 包含了几个包：
- curator-framework是对ZooKeeper的底层API的一些封装。
- curator-client提供了一些客户端的操作，例如重试策略等。
- curator-recipes封装了一些高级特性，如：Cache事件监听、选举、分布式锁、分布式计数器、分布式Barrier等。
<!-- zookeeper client -->
<dependency>
<groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
<artifactId>zookeeper</artifactId>
<version>3.8.0</version>
</dependency>
<!--curator-->
<dependency>
<groupId>org.apache.curator</groupId>
<artifactId>curator-recipes</artifactId>
<version>5.1.0</version>
<exclusions>
<exclusion>
<groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
<artifactId>zookeeper</artifactId>
</exclusion>
</exclusions>
</dependency>
创建一个客户端实例
在使用curator-framework包操作ZooKeeper前，首先要创建一个客户端实例。这是一个CuratorFramework类型的对象，有两种方法：
- 使用工厂类CuratorFrameworkFactory的静态newClient()方法。
// 重试策略
RetryPolicy retryPolicy = new ExponentialBackoffRetry(1000, 3)
//创建客户端实例
CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient(zookeeperConnectionString, retryPolicy);
//启动客户端
client.start();
- 使用工厂类CuratorFrameworkFactory的静态builder构造者方法。
//随着重试次数增加重试时间间隔变大,指数倍增长baseSleepTimeMs * Math.max(1, random.nextInt(1 << (retryCount + 1)))
RetryPolicy retryPolicy = new ExponentialBackoffRetry(1000, 3);
CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.builder()
.connectString("192.168.128.129:2181")
.sessionTimeoutMs(5000) // 会话超时时间
.connectionTimeoutMs(5000) // 连接超时时间
.retryPolicy(retryPolicy)
.namespace("base") // 包含隔离名称
.build();
client.start();
-
connectionString：服务器地址列表，在指定服务器地址列表的时候可以是一个地址，也可以是多个地址。如果是多个地址，那么每个服务器地址列表用逗号分隔, 如 host1:port1,host2:port2,host3；port3 。
-
retryPolicy：重试策略，当客户端异常退出或者与服务端失去连接的时候，可以通过设置客户端重新连接 ZooKeeper 服务端。而 Curator 提供了 一次重试、多次重试等不同种类的实现方式。在 Curator 内部，可以通过判断服务器返回的 keeperException 的状态代码来判断是否进行重试处理，如果返回的是 OK 表示一切操作都没有问题，而 SYSTEMERROR 表示系统或服务端错误。
-
超时时间：Curator 客户端创建过程中，有两个超时时间的设置。一个是 sessionTimeoutMs 会话超时时间，用来设置该条会话在 ZooKeeper 服务端的失效时间。另一个是 connectionTimeoutMs 客户端创建会话的超时时间，用来限制客户端发起一个会话连接到接收 ZooKeeper 服务端应答的时间。sessionTimeoutMs 作用在服务端，而 connectionTimeoutMs 作用在客户端。
创建节点
创建节点的方式如下面的代码所示，回顾我们之前课程中讲到的内容，描述一个节点要包括节点的类型，即临时节点还是持久节点、节点的数据信息、节点是否是有序节点等属性和性质。
@Test
public void testCreate() throws Exception {
String path = curatorFramework.create().forPath("/curator-node");
curatorFramework.create().withMode(CreateMode.PERSISTENT).forPath("/curator-node","some-data".getBytes())
log.info("curator create node :{} successfully.",path);
}
在 Curator 中，可以使用 create 函数创建数据节点，并通过 withMode 函数指定节点类型（持久化节点，临时节点，顺序节点，临时顺序节点，持久化顺序节点等），默认是持久化节点，之后调用 forPath 函数来指定节点的路径和数据信息。
一次性创建带层级结构的节点
@Test
public void testCreateWithParent() throws Exception {
String pathWithParent="/node-parent/sub-node-1";
String path = curatorFramework.create().creatingParentsIfNeeded().forPath(pathWithParent);
log.info("curator create node :{} successfully.",path);
}
获取数据
@Test
public void testGetData() throws Exception {
byte[] bytes = curatorFramework.getData().forPath("/curator-node");
log.info("get data from node :{} successfully.",new String(bytes));
}
更新节点
我们通过客户端实例的 setData() 方法更新 ZooKeeper 服务上的数据节点，在setData 方法的后边，通过 forPath 函数来指定更新的数据节点路径以及要更新的数据。
@Test
public void testSetData() throws Exception {
curatorFramework.setData().forPath("/curator-node","changed!".getBytes());
byte[] bytes = curatorFramework.setData().forPath("/curator-node");
log.info("get data from node /curator-node :{} successfully.",new String(bytes));
}
删除节点
@Test
public void testDelete() throws Exception {
String pathWithParent="/node-parent";
curatorFramework.delete().guaranteed().deletingChildrenIfNeeded().forPath(pathWithParent);
}
guaranteed：该函数的功能如字面意思一样，主要起到一个保障删除成功的作用，其底层工作方式是：只要该客户端的会话有效，就会在后台持续发起删除请求，直到该数据节点在 ZooKeeper 服务端被删除。
deletingChildrenIfNeeded：指定了该函数后，系统在删除该数据节点的时候会以递归的方式直接删除其子节点，以及子节点的子节点。
异步接口
Curator 引入了BackgroundCallback 接口，用来处理服务器端返回来的信息，这个处理过程是在异步线程中调用，默认在 EventThread 中调用，也可以自定义线程池。
public interface BackgroundCallback
{
/**
* Called when the async background operation completes
*
* @param client the client
* @param event operation result details
* @throws Exception errors
*/
public void processResult(CuratorFramework client, CuratorEvent event) throws Exception;
}
如上接口，主要参数为 client 客户端， 和 服务端事件 event。
inBackground 异步处理默认在EventThread中执行
@Test
public void test() throws Exception {
curatorFramework.getData().inBackground((item1, item2) -> {
log.info(" background: {}", item2);
}).forPath(ZK_NODE);
TimeUnit.SECONDS.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
指定线程池
@Test
public void test() throws Exception {
ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
curatorFramework.getData().inBackground((item1, item2) -> {
log.info(" background: {}", item2);
},executorService).forPath(ZK_NODE);
TimeUnit.SECONDS.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
Curator 监听器
/**
* Receives notifications about errors and background events
*/
public interface CuratorListener
{
/**
* Called when a background task has completed or a watch has triggered
*
* @param client client
* @param event the event
* @throws Exception any errors
*/
public void eventReceived(CuratorFramework client, CuratorEvent event) throws Exception;
}
针对 background 通知和错误通知。使用此监听器之后，调用inBackground 方法会异步获得监听
Curator Caches:
Curator 引入了 Cache 来实现对 Zookeeper 服务端事件监听，Cache 事件监听可以理解为一个本地缓存视图与远程 Zookeeper 视图的对比过程。Cache 提供了反复注册的功能。Cache 分为两类注册类型：节点监听和子节点监听。
node cache:
NodeCache 对某一个节点进行监听
public NodeCache(CuratorFramework client,
String path)
Parameters:
client - the client
path - path to cache
可以通过注册监听器来实现，对当前节点数据变化的处理
public void addListener(NodeCacheListener listener)
Add a change listener
Parameters:
listener - the listener
@Slf4j
public class NodeCacheTest extends AbstractCuratorTest{
public static final String NODE_CACHE="/node-cache";
@Test
public void testNodeCacheTest() throws Exception {
createIfNeed(NODE_CACHE);
NodeCache nodeCache = new NodeCache(curatorFramework, NODE_CACHE);
nodeCache.getListenable().addListener(new NodeCacheListener() {
@Override
public void nodeChanged() throws Exception {
log.info("{} path nodeChanged: ",NODE_CACHE);
printNodeData();
}
});
nodeCache.start();
}
public void printNodeData() throws Exception {
byte[] bytes = curatorFramework.getData().forPath(NODE_CACHE);
log.info("data: {}",new String(bytes));
}
}
path cache:
PathChildrenCache 会对子节点进行监听，但是不会对二级子节点进行监听
public PathChildrenCache(CuratorFramework client,
String path,
boolean cacheData)
Parameters:
client - the client
path - path to watch
cacheData - if true, node contents are cached in addition to the stat
可以通过注册监听器来实现，对当前节点的子节点数据变化的处理
public void addListener(PathChildrenCacheListener listener)
Add a change listener
Parameters:
listener - the listener
@Slf4j
public class PathCacheTest extends AbstractCuratorTest{
public static final String PATH="/path-cache";
@Test
public void testPathCache() throws Exception {
createIfNeed(PATH);
PathChildrenCache pathChildrenCache = new PathChildrenCache(curatorFramework, PATH, true);
pathChildrenCache.getListenable().addListener(new PathChildrenCacheListener() {
@Override
public void childEvent(CuratorFramework client, PathChildrenCacheEvent event) throws Exception {
log.info("event: {}",event);
}
});
// 如果设置为true则在首次启动时就会缓存节点内容到Cache中
pathChildrenCache.start(true);
}
}
tree cache:
TreeCache 使用一个内部类TreeNode来维护这个一个树结构。并将这个树结构与ZK节点进行了映射。所以TreeCache 可以监听当前节点下所有节点的事件。
public TreeCache(CuratorFramework client,
String path,
boolean cacheData)
Parameters:
client - the client
path - path to watch
cacheData - if true, node contents are cached in addition to the stat
可以通过注册监听器来实现，对当前节点的子节点，及递归子节点数据变化的处理
public void addListener(TreeCacheListener listener)
Add a change listener
Parameters:
listener - the listener
@Slf4j
public class TreeCacheTest extends AbstractCuratorTest{
public static final String TREE_CACHE="/tree-path";
@Test
public void testTreeCache() throws Exception {
createIfNeed(TREE_CACHE);
TreeCache treeCache = new TreeCache(curatorFramework, TREE_CACHE);
treeCache.getListenable().addListener(new TreeCacheListener() {
@Override
public void childEvent(CuratorFramework client, TreeCacheEvent event) throws Exception {
log.info(" tree cache: {}",event);
}
});
treeCache.start();
}
}
2. Zookeeper在分布式命名服务中的实战
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
2.1 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。
2.2 分布式节点的命名
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。
2.3 分布式的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。
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
@Slf4j
public class IDMaker extends CuratorBaseOperations {
private String createSeqNode(String pathPefix) throws Exception {
CuratorFramework curatorFramework = getCuratorFramework();
//创建一个临时顺序节点
String destPath = curatorFramework.create()
.creatingParentsIfNeeded()
.withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL)
.forPath(pathPefix);
return destPath;
}
public String makeId(String path) throws Exception {
String str = createSeqNode(path);
if(null != str){
//获取末尾的序号
int index = str.lastIndexOf(path);
if(index>=0){
index+=path.length();
return index<=str.length() ? str.substring(index):"";
}
}
return str;
}
}
测试
@Test
public void testMarkId() throws Exception {
IDMaker idMaker = new IDMaker();
idMaker.init();
String pathPrefix = "/idmarker/id-";
for(int i=0;i<5;i++){
new Thread(()->{
for (int j=0;j<10;j++){
String id = null;
try {
id = idMaker.makeId(pathPrefix);
log.info("{}线程第{}个创建的id为{}",Thread.currentThread().getName(),
j,id);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"thread"+i).start();
}
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
测试结果
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;
}
}
3. zookeeper实现分布式队列
常见的消息队列有:RabbitMQ，RocketMQ，Kafka等。Zookeeper作为一个分布式的小文件管理系统，同样能实现简单的队列功能。Zookeeper不适合大数据量存储，官方并不推荐作为队列使用，但由于实现简单，集群搭建较为便利，因此在一些吞吐量不高的小型系统中还是比较好用的。
3.1 设计思路
- 创建队列根节点：在Zookeeper中创建一个持久节点，用作队列的根节点。所有队列元素的节点将放在这个根节点下。
- 实现入队操作：当需要将一个元素添加到队列时，可以在队列的根节点下创建一个临时有序节点。节点的数据可以包含队列元素的信息。
- 实现出队操作：当需要从队列中取出一个元素时，可以执行以下操作：
- 获取根节点下的所有子节点。
- 找到具有最小序号的子节点。
- 获取该节点的数据。
- 删除该节点。
- 返回节点的数据。
/**
* 入队
* @param data
* @throws Exception
*/
public void enqueue(String data) throws Exception {
// 创建临时有序子节点
zk.create(QUEUE_ROOT + "/queue-", data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8),
ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
}
/**
* 出队
* @return
* @throws Exception
*/
public String dequeue() throws Exception {
while (true) {
List<String> children = zk.getChildren(QUEUE_ROOT, false);
if (children.isEmpty()) {
return null;
}
Collections.sort(children);
for (String child : children) {
String childPath = QUEUE_ROOT + "/" + child;
try {
byte[] data = zk.getData(childPath, false, null);
zk.delete(childPath, -1);
return new String(data, StandardCharsets.UTF_8);
} catch (KeeperException.NoNodeException e) {
// 节点已被其他消费者删除，尝试下一个节点
}
}
}
}
3.2 使用Apache Curator实现分布式队列
Apache Curator是一个ZooKeeper客户端的封装库，提供了许多高级功能，包括分布式队列。
public class CuratorDistributedQueueDemo {
private static final String QUEUE_ROOT = "/curator_distributed_queue";
public static void main(String[] args) throws Exception {
CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient("localhost:2181",
new ExponentialBackoffRetry(1000, 3));
client.start();
// 定义队列序列化和反序列化
QueueSerializer<String> serializer = new QueueSerializer<String>() {
@Override
public byte[] serialize(String item) {
return item.getBytes();
}
@Override
public String deserialize(byte[] bytes) {
return new String(bytes);
}
};
// 定义队列消费者
QueueConsumer<String> consumer = new QueueConsumer<String>() {
@Override
public void consumeMessage(String message) throws Exception {
System.out.println("消费消息: " + message);
}
@Override
public void stateChanged(CuratorFramework curatorFramework, ConnectionState connectionState) {
}
};
// 创建分布式队列
DistributedQueue<String> queue = QueueBuilder.builder(client, consumer, serializer, QUEUE_ROOT)
.buildQueue();
queue.start();
// 生产消息
for (int i = 0; i < 5; i++) {
String message = "Task-" + i;
System.out.println("生产消息: " + message);
queue.put(message);
Thread.sleep(1000);
}
Thread.sleep(10000);
queue.close();
client.close();
}
}
3.3 注意事项
使用Curator的DistributedQueue时，默认情况下不使用锁。当调用QueueBuilder的lockPath()方法并指定一个锁节点路径时，才会启用锁。如果不指定锁节点路径，那么队列操作可能会受到并发问题的影响。
在创建分布式队列时，指定一个锁节点路径可以帮助确保队列操作的原子性和顺序性。分布式环境中，多个消费者可能同时尝试消费队列中的消息。如果不使用锁来同步这些操作，可能会导致消息被多次处理或者处理顺序出现混乱。当然，并非所有场景都需要指定锁节点路径。如果您的应用场景允许消息被多次处理，或者处理顺序不是关键问题，那么可以不使用锁。这样可以提高队列操作的性能，因为不再需要等待获取锁。
// 创建分布式队列
QueueBuilder<String> builder = QueueBuilder.builder(client, consumer, serializer, "/order");
//指定了一个锁节点路径/orderlock,用于实现分布式锁，以保证队列操作的原子性和顺序性。
queue = builder.lockPath("/orderlock").buildQueue();
//启动队列,这时队列开始监听ZooKeeper中/order节点下的消息。
queue.start();
数据库是今天社会发展不可缺少的重要技术，它可以把大量的信息进行有序的存储和管理，为企业的数据处理提供了强大的保障。
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