分布式协调组件Zookeeper

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了分布式协调组件Zookeeper。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

Zookeeper介绍

什么是Zookeeper

ZooKeeper 是⼀种分布式协调组件,用于管理大型主机。在分布式环境中协调和管理服务是一个复杂的过程。ZooKeeper 通过其简单的架构和 API 解决了这个问题。ZooKeeper 允许开发人员专注于核心应用程序逻辑,而不必担心应用程序的分布式特性。

Zookeeper的应用场景

  • 分布式协调组件

分布式协调组件Zookeeper,cloud,分布式,zookeeper

在分布式系统中,需要有zookeeper作为分布式协调组件,协调分布式系统中的状态。

  • 分布式锁

zk在实现分布式锁上,可以做到强⼀致性,分布式锁相关的知识,在后续的ZAB协议中介绍。

  • 无状态化实现

分布式协调组件Zookeeper,cloud,分布式,zookeeper

zookeeper可以保存登录信息,保证分布式登录系统多个系统无需重复登录。

搭建Zookeeper服务器

安装启动

zk由Java编写,安装依赖Java环境

  1. 上传zookeeper压缩包

  2. 解压缩

tar -zxvf apache-zookeeper-3.7.1-bin.tar.gz 

zk目录结构:
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  1. 启动zookeeper,conf文件夹中需要zoo.cfg文件

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zoo_sample.cfg配置文件说明:

# zookeeper时间配置中的基本单位 (毫秒)
tickTime=2000
# 允许follower初始化连接到leader最⼤时⻓,它表示tickTime时间倍数即:initLimit*tickTime
initLimit=10
# 允许follower与leader数据同步最⼤时⻓,它表示tickTime时间倍数
syncLimit=5
#zookeper 数据存储⽬录及⽇志保存⽬录(如果没有指明dataLogDir,则⽇志也保存在这个⽂件中)
dataDir=/tmp/zookeeper
#对客户端提供的端⼝号
clientPort=2181
#单个客户端与zookeeper最⼤并发连接数
maxClientCnxns=60
# 保存的数据快照数量,之外的将会被清除
autopurge.snapRetainCount=3
#⾃动触发清除任务时间间隔,⼩时为单位。默认为0,表示不⾃动清除。
autopurge.purgeInterval=1

稍作修改,然后重命名为zoo.cfg

mv zoo_sample.cfg zoo.cfg

Zookeeper服务器的操作命令

  • 启动zk服务器(指定配置文件)
./zkServer.sh start ../conf/zoo.cfg 

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  • 重启zk服务器
./zkServer.sh restart ../conf/zoo.cfg 
  • 查看zk服务器状态
./zkServer.sh status ../conf/zoo.cfg

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  • 停止zk服务器
./zkServer.sh stop ../conf/zoo.cfg

Zookeeper内部的数据模型

zk是如何保存数据的

zk中的数据是保存在节点上的,节点就是znode,多个znode之间构成⼀颗树的⽬录结构(类似Linux目录结构)。

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顶层目录为/

树是由节点所组成,Zookeeper的数据存储也同样是基于节点,这种节点叫做 Znode

不同于树的节点,Znode 的引用方式是路径引用,类似于⽂件路径:

/service/org-service

这样的层级结构,让每⼀个 Znode 节点拥有唯⼀的路径,就像命名空间⼀样对不同信息作出清晰的隔离。

zk中的znode结构

zk中的znode,包含了四个部分:

  • data:保存数据
  • acl:权限,定义了什么样的用户能够操作这个节点,且能够进行怎样的操作。
    • c:create 创建权限,允许在该节点下创建⼦节点
    • w:write 更新权限,允许更新该节点的数据
    • r:read 读取权限,允许读取该节点的内容以及⼦节点的列表信息
    • d:delete 删除权限,允许删除该节点的⼦节点
    • a:admin 管理者权限,允许对该节点进⾏acl权限设置
  • stat:描述当前znode的元数据
  • child:当前节点的⼦节点

zk中节点znode类型

创建节点命令:(不同参数代表不同类型znode)

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  • 持久节点: 创建出的节点,在会话结束后依然存在。保存数据(默认)
  • 持久顺序节点: 创建出的节点,根据先后顺序,会在节点之后带上⼀个数值,越后执行数值越⼤,适用于分布式锁的应用场景- 单调递增(-s)
  • 临时节点: 临时节点是在会话结束后,自动被删除的,通过这个特性,zk可以实现服务注册与发现的效果。(-e)

如何维持心跳?

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  • 临时顺序节点:跟持久序号节点相同,适⽤于临时的分布式锁。(-es)
  • Container节点(3.5.3版本新增):Container容器节点,当容器中没有任何子节点,该容器节点会被zk定期删除(60s)。(-c)
  • TTL节点:可以指定节点的到期时间,到期后被zk定时删除。只能通过系统配置 zookeeper.extendedTypesEnabled=true 开启(-t)【不稳定,了解即可】

zk的数据持久化

zk的数据是运行在内存中,zk提供了两种持久化机制:

  • 事务日志

zk把执行的命令以日志形式保存在dataLogDir指定的路径中的文件中(如果没有指定 dataLogDir,则按dataDir指定的路径)。

  • 数据快照

zk会在⼀定的时间间隔内做⼀次内存数据的快照,把该时刻的内存数据保存在快照⽂件中

【默认两种都是开启的】

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zk通过两种形式的持久化,在恢复时先恢复快照文件中的数据到内存中,再用日志文件中的数据做增量恢复,这样的恢复速度更快。

Zookeeper客户端(zkCli)的使用

启动客户端

启动客户端:./zkCli.sh -server ip:port(如果连接本地Zookeeper,ip:port可省略)

./zkCli.sh

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退出客户端

quit

常用命令

  • ls / (查看znode目录结构)

  • help (帮助命令)

  • 创建Znode(不同参数对应不同类型节点)【不加参数,默认持久节点】

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  • 存取设置数据

    • create /test abc (存)
    • get /test (取)
    • set /test abc (设置数据)

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  • 普通查询

    get /test

    ls /

    ls /test (-R参数 递归查询

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  • 查看节点详细信息

    get -s /test (-s参数)

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    • cZxid: 创建节点的事务ID
    • mZxid:修改节点的事务ID
    • pZxid:添加和删除⼦节点的事务ID
    • ctime:节点创建的时间
    • mtime: 节点最近修改的时间
    • dataVersion: 节点内数据的版本,每更新⼀次数据,版本会+1
    • aclVersion: 此节点的权限版本
    • ephemeralOwner: 如果当前节点是临时节点,该值是当前节点所有者的session id。如果节点不是临时节点,则该值为零。 dataLength: 节点内数据的长度
    • numChildren: 该节点的节点个数
  • 删除节点

1、普通删除

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节点不为空时,直接用delete无法删除,此时可以用deleteall进行删除

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2、乐观锁删除 (-v 参数)

需要与节点详细信息dataVersion对应,否则无法删除

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  • 权限设置

    • 注册当前会话的账号和密码
    addauth digest xiaowang:123456
    
    • 创建节点并设置权限
    create /test-node abcd auth:xiaowang:123456:cdwra
    

    在另⼀个会话中必须先使用账号密码(步骤一),才能拥有操作该节点的权限

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Curator客户端的使用

Curator介绍

Curator是Netflix公司开源的⼀套zookeeper客户端框架,Curator是对Zookeeper支持最好的客户端框架。Curator封装了⼤部分Zookeeper的功能,比如Leader选举、分布式锁等,减少了技术人员在使用Zookeeper时的底层细节开发⼯作。

引入Curator

  • 引入依赖
    <!--Curator-->
     <dependency>
         <groupId>org.apache.curator</groupId>
         <artifactId>curator-framework</artifactId>
         <version>2.12.0</version>
     </dependency>
     <dependency>
         <groupId>org.apache.curator</groupId>
         <artifactId>curator-recipes</artifactId>
         <version>2.12.0</version>
     </dependency>
     <!--Zookeeper-->
     <dependency>
         <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
         <artifactId>zookeeper</artifactId>
         <version>3.7.14</version>
     </dependency>
  • 配置文件
curator:
  retryCount: 5
  elapsedTimeMs: 5000
  connectString: 124.222.253.33:2181
  sessionTimeoutMs: 60000
  connectionTimeoutM: 5000
  • 注入配置Bean
@Data
@Component
@ConfigurationProperties(prefix = "curator")
public class WrapperZK {

  private int retryCount;

  private int elapsedTimeMs;

  private String connectString;

  private int sessionTimeoutMs;

  private int connectionTimeoutMs;
}
  • 注⼊CuratorFramework
@Configuration
public class CuratorConfig {


    @Autowired
    WrapperZK wrapperZk;

    @Bean(initMethod = "start")
    public CuratorFramework curatorFramework() {
      return CuratorFrameworkFactory.newClient(
        wrapperZk.getConnectString(),
        wrapperZk.getSessionTimeoutMs(),
        wrapperZk.getConnectionTimeoutMs(),
        new RetryNTimes(wrapperZk.getRetryCount(), wrapperZk.getElapsedTimeMs()));
    }
}

创建节点

	@Autowired
    CuratorFramework curatorFramework;    

	@Test
    void createNode() throws Exception {
        // 添加持久节点
        String path = curatorFramework.create().forPath("/curator-node");
        // 添加临时序号节点
        String path1 = curatorFramework.create().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).forPath("/curator-node", "some-data".getBytes());
        System.out.printf("curator create node :%s  successfully.%n", path);

        System.in.read();
    }

获得节点数据

    @Test
    public void testGetData() throws Exception {
        byte[] bytes = curatorFramework.getData().forPath("/curator-node");
        System.out.println(new String(bytes));
    }

修改节点数据

    @Test
    public void testSetData() throws Exception {
        curatorFramework.setData().forPath("/curator-node", "changed!".getBytes());
        byte[] bytes = curatorFramework.getData().forPath("/curator-node");
        System.out.println(new String(bytes));
    }

创建节点同时创建父节点

    @Test
    public void testCreateWithParent() throws Exception {
        String pathWithParent = "/node-parent/sub-node-1";
        String path = curatorFramework.create().creatingParentsIfNeeded().forPath(pathWithParent);
        System.out.printf("curator create node :%s  successfully.%n", path);
    }

删除节点

    @Test
    public void testDelete() throws Exception {
        String pathWithParent = "/node-parent";
        curatorFramework.delete().guaranteed().deletingChildrenIfNeeded().forPath(pathWithParent);
    }

zk实现分布式锁

zk中锁的分类

  • 读锁:大家都可以读,要想上读锁的前提是,之前的锁没有写锁读锁共享
  • 写锁:只有得到写锁的才能写。要想上写锁的前提是,之前没有任何锁。写锁独占

zk如何上读锁

  • 创建⼀个临时序号节点,节点的数据是read,表示是读锁
  • 获取当前zk中序号比自己小的所有节点
  • 判断最小节点是否是读锁
    • 如果不是读锁的话,则上锁失败,为最小节点设置监听阻塞等待,zk的watch机制会当最小节点发⽣变化时通知当前节点,于是再执行第⼆步的流程
    • 如果是读锁的话,则上锁成功

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zk如何上写锁

  • 创建⼀个临时序号节点,节点的数据是write,表示是写锁
  • 获取zk中所有的子节点
  • 判断自己是否是最小的节点
    • 如果是,则上写锁成功
    • 如果不是,说明前面还有锁,则上锁失败,监听最小的节点,如果最小节点有变化, 则回到第⼆步。

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羊群效应

如果用上述的上锁方式,只要有节点发⽣变化,就会触发其他节点的监听事件,这样的话对 zk的压力⾮常⼤,——羊群效应。可以调整成链式监听。解决这个问题。

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监听当前节点的上一个节点即可。

curator实现读写锁

1)获取读锁

	@Autowired
    private CuratorFramework client;   

	@Test
    void testGetReadLock() throws Exception {
        // 读写锁
        InterProcessReadWriteLock interProcessReadWriteLock = new InterProcessReadWriteLock(client, "/lock1");
        // 获取读锁对象
        InterProcessLock interProcessLock = interProcessReadWriteLock.readLock();
        System.out.println("等待获取读锁对象!");
        // 获取锁
        interProcessLock.acquire();
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            Thread.sleep(3000);
            System.out.println(i);
        }
        // 释放锁
        interProcessLock.release();
        System.out.println("等待释放锁!");

    }

2)获取写锁

    @Test
    void testGetWriteLock() throws Exception {
        // 读写锁
        InterProcessReadWriteLock interProcessReadWriteLock = new InterProcessReadWriteLock(client, "/lock1");
        // 获取写锁对象
        InterProcessLock interProcessLock = interProcessReadWriteLock.writeLock();
        System.out.println("等待获取写锁对象!");
        // 获取锁
        interProcessLock.acquire();
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            Thread.sleep(3000);
            System.out.println(i);
        }
        // 释放锁
        interProcessLock.release();
        System.out.println("等待释放锁!");
    }

zk的watch机制

Watch机制介绍

可以把 Watch 理解成是注册在特定 Znode 上的触发器。当这个 Znode 发⽣改变,也就是调用了 create ,delete ,setData 方法的时候,将会触发 Znode 上注册的对应事件, 请求 Watch 的客户端会接收到异步通知。

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客户端使用了NIO通信模式监听服务端的调用

zkCli客户端使用watch

create /test xxx

get -w /test ⼀次性监听节点

ls -w /test 监听目录,创建和删除子节点会收到通知。子节点中新增节点不会收到通知

ls -R -w /test 对于子节点中子节点的变化,但内容的变化不会收到通知

get -w /test 监听节点 监听是一次性的(监听当前节点内容变化,无法监听子节点),每次获取数据时都带-w参数可以实现持续监听节点

ls /w /test 监听节点目录变化,可以监听子节点(一级子节点)加上-R参数可以递归监听所有子节点

curator客户端使用watch

    @Test
    public void addNodeListener() throws Exception {
        NodeCache nodeCache = new NodeCache(curatorFramework, "/curator-node");
        nodeCache.getListenable().addListener(new NodeCacheListener() {
            @Override
            public void nodeChanged() throws Exception {
                log.info("{} path nodeChanged: ", "/curator-node");
                printNodeData();
            }
        });

        nodeCache.start();
        System.in.read();

    }

    public void printNodeData() throws Exception {
        byte[] bytes = curatorFramework.getData().forPath("/curator-node");
        log.info("data: {}", new String(bytes));
    }

Zookeeper集群实战

Zookeeper集群角色

zookeeper集群中的节点有三种角色

  1. Leader:处理集群的所有事务请求(可读可写),集群中只有⼀个Leader。
  2. Follower:只能处理读请求,参与Leader选举。
  3. Observer:只能处理读请求,提升集群读的性能,但不能参与Leader选举。

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集群搭建

搭建4个节点,其中⼀个节点为Observer

1)创建4个节点的myid,并设值

在/usr/local/zookeeper中创建以下四个文件

/usr/local/zookeeper/data/zk1# echo 1 > myid
/usr/local/zookeeper/data/zk2# echo 2 > myid
/usr/local/zookeeper/data/zk3# echo 3 > myid
/usr/local/zookeeper/data/zk4# echo 4 > myid

2)编写4个zoo.cfg

# The number of milliseconds of each tick
tickTime=2000
# The number of ticks that the initial
# synchronization phase can take
initLimit=10
# The number of ticks that can pass between
# sending a request and getting an acknowledgement
syncLimit=5
# 修改对应的zk1 zk2 zk3 zk4
dataDir=/usr/local/zookeeper/data/zk1
# 修改对应的端⼝ 2181 2182 2183 2184
clientPort=2181
# 2001为集群通信端⼝,3001为集群选举端⼝,observer表示不参与集群选举
server.1=124.222.253.33:2001:3001
server.2=124.222.253.33:2002:3002
server.3=124.222.253.33:2003:3003
server.4=124.222.253.33:2004:3004:observer

# 上述配置,启动zk时,无法监听端口,可以加下面一行配置解决 (监听所有网卡)
quorumListenOnAllIPs=true

3)启动4台Zookeeper

./bin/zkServer.sh start ../conf/zoo1.cfg
./bin/zkServer.sh start ../conf/zoo2.cfg
./bin/zkServer.sh start ../conf/zoo3.cfg
./bin/zkServer.sh start ../conf/zoo4.cfg

查看集群状态

./bin/zkServer.sh status ../conf/zoo1.cfg
./bin/zkServer.sh status ../conf/zoo2.cfg
./bin/zkServer.sh status ../conf/zoo3.cfg
./bin/zkServer.sh status ../conf/zoo4.cfg

连接Zookeeper集群

./bin/zkCli.sh -server 124.222.253.33:2181,124.222.253.33:2182,124.222.253.33:2183,124.222.253.33:2184

ZAB协议

什么是ZAB协议

zookeeper作为非常重要的分布式协调组件,需要进行集群部署,集群中会以⼀主多从的形式进行部署。zookeeper为了保证数据的⼀致性,使用了ZAB(Zookeeper Atomic Broadcast 原子消息广播)协议,这个协议解决了Zookeeper的崩溃恢复和主从数据同步的问题。

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ZAB协议定义的四种节点状态

  • Looking :选举状态。
  • Following :Follower 节点(从节点)所处的状态。
  • Leading :Leader 节点(主节点)所处状态。
  • Observing:观察者节点所处的状态。

集群上线时的Leader选举过程

Zookeeper集群中的节点在上线时,将会进⼊到Looking状态,也就是选举Leader的状态,具体过程如下:

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选票格式

myid | zXid

myid:myid文件配置数字

zXid:事务id,记录节点数据变化次数(增删改操作)

崩溃恢复时的Leader选举

Leader建立完后,Leader周期性地不断向Follower发送心跳(ping命令,没有内容的 socket)。当Leader崩溃后,Follower发现socket通道已关闭,于是Follower开始进⼊到 Looking状态,重新回到上⼀节中的Leader选举过程,Leader选举期间集群不能对外提供服务。

主从服务器之间的数据同步

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一定是主节点写数据,client连接到从节点也是发给主节点写数据

半数以上【相对于集群数量】(说明集群网络是没问题的)为了提高集群写数据的性能

Zookeeper中的NIO与BIO的应用

  • NIO

    • 用于被客户端连接的2181端口,使用的是NIO模式与客户端建立连接
    • 客户端开启Watch时,也使用NIO,等待Zookeeper服务器的回调
  • BIO

    • 集群在选举时,多个节点之间的投票通信端口,使用BIO进行通信
    • 心跳机制

CAP理论

CAP 定理

2000 年 7月,加州大学伯克利分校的 Eric Brewer 教授在 ACM PODC 会议上提出 CAP 猜想。2年后,麻省理⼯学院的 Seth Gilbert 和 Nancy Lynch 从理论上证明了 CAP。之后, CAP理论正式成为分布式计算领域的公认定理

CAP 理论为:⼀个分布式系统最多只能同时满足一致性(Consistency)、可⽤性 (Availability)和分区容错性(Partition tolerance)这三项中的两项

  • 一致性(Consistency)【数据一致】

⼀致性指 “all nodes see the same data at the same time”,即更新操作成功并返回客户端完成后,所有节点在同⼀时间的数据完全⼀致。

  • 可用性(Availability)【服务可用】

可用性指“Reads and writes always succeed”,即服务⼀直可用,而且是正常响应时间。

  • 分区容错性(Partition tolerance)【分布式系统必须满足】

分区容错性指“the system continues to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the system”,即分布式系统在遇到某节点或网络分区故障的时候,仍然能够对外提供满足⼀致性或可⽤性的服务。——避免单点故障,就要进行冗余部署,冗余部署相当于是服务的分区,这样的分区就具备了容错性。

CAP 权衡

通过 CAP 理论,我们知道⽆法同时满足⼀致性、可用性和分区容错性这三个特性,那要舍弃哪个呢?

于多数大型互联网应用的场景,主机众多、部署分散,而且现在的集群规模越来越大,所以节点故障、网络故障是常态,而且要保证服务可用性达到 N 个 9,即保证 P 和 A,舍弃 C(退而求其次保证最终⼀致性)。虽然某些地方会影响客户体验,但没达到造成用户流失的严重程度。

对于涉及到钱财这样不能有⼀丝让步的场景,C 必须保证。网络发生故障宁可停止服务,这是保证 CA,舍弃 P。还有⼀种是保证 CP,舍弃 A。例如网络故障是只读不写。

孰优孰略,没有定论,只能根据场景定夺,适合的才是最好的!

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BASE 理论

eBay 的架构师 Dan Pritchett 源于对大规模分布式系统的实践总结,在 ACM 上发表⽂章提出 BASE 理论,BASE 理论是对 CAP 理论的延伸,核心思想是即使无法做到强⼀致性(Strong Consistency,CAP 的⼀致性就是强⼀致性),但应用可以采用适合的方式达到最终⼀致性 (Eventual Consitency)。

  • 基本可用(Basically Available) BA

基本可用指分布式系统在出现故障的时候,允许损失部分可用性,即保证核心可用

电商大促时,为了应对访问量激增,部分用户可能会被引导到降级页面,服务层也可能只提供降级服务。这就是损失部分可用性的体现。

  • 软状态(Soft State) S

软状态是指允许系统存在中间状态,而该中间状态不会影响系统整体可⽤性。分布式存储中⼀般⼀份数据至少会有三个副本,允许不同节点间副本同步的延时就是软状态的体现。mysql replication 的异步复制也是⼀种体现。

  • 最终一致性(Eventual Consistency) E

最终⼀致性是指系统中的所有数据副本经过⼀定时间后,最终能够达到⼀致的状态。弱⼀致性和强⼀致性相反,最终⼀致性是弱⼀致性的⼀种特殊情况。

Zookeeper追求的一致性

Zookeeper在数据同步时,追求的并不是强⼀致性,而是顺序⼀致性(事务id的单调递增)。

zk追求CP原则,但也不是强一致性(集群半数以上ACK),而是顺序一致性。

Curator客户端相关代码:https://github.com/lkl778/zk.git文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-637354.html

到了这里,关于分布式协调组件Zookeeper的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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    作者:禅与计算机程序设计艺术 Apache Zookeeper 是 Apache Hadoop 的子项目之一,是一个开源的分布式协调服务。它负责存储和维护关于网络中各个节点的数据。Zookeeper 提供了以下功能:配置维护、域名服务、同步和共享、软/硬件负载均衡、集群管理、Master 选举等。它的架构使得

    2024年02月08日
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  • Zookeeper 实战 | Zookeeper 和Spring Cloud相结合解决分布式锁、服务注册与发现、配置管理

    专栏集锦,大佬们可以收藏以备不时之需: Spring Cloud 专栏: Python 专栏: Redis 专栏: TensorFlow 专栏: Logback 专栏: 量子计算: 量子计算 | 解密著名量子算法Shor算法和Grover算法 AI机器学习实战: AI机器学习实战 | 使用 Python 和 scikit-learn 库进行情感分析 AI机器学习 | 基于lib

    2024年02月05日
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  • HadoopHA模式(由于Hadoop的HA模式是在Hadoop完全分布式基础上,利用zookeeper等协调工具配置的高可用的Hadoop集群模式)

    目录 1.前期准备 1.1.hadoop-3.1.3.tar.gz,jdk-8u212-linux-x64.tar.gz,apache-zookeeper-3.5.7-bin.tar.gz三个包提取码:k5y6 2.解压安装包,配置环境变量 3. 将三个节点分别命名为master、slave1、slave2并做免密登录 免密在前面Hadoop完全分布式搭建说过,这里不再赘述 4.搭建zookeeper集群  根据配置的

    2024年02月04日
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  • 【分布式】Zookeeper

    可以参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/62526102 ZooKeeper 是一个分布式的,开放源码的分布式应用程序协同服务。ZooKeeper 的设计目标是将那些复杂且容易出错的分布式一致性服务封装起来,构成一个高效可靠的原语集,并以一系列简单易用的接口提供给用户使用。 配置管理。 Java微服

    2024年02月11日
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  • zookeeper伪分布式安装

    需要有jdk1.8 (1)将zookeeper的安装包上传到/opt/modules目录下 (2)解压 (3)更名 切换到/opt/installs目录下 (4)配置环境变量 切换到/opt/installs/zookeeper3.6.3/conf目录下

    2024年02月17日
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