什么是Master選舉？ZooKeeper在集群Master選舉中應(yīng)用

Master選舉是一個(gè)在分布式系統(tǒng)中非常常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景。分布式最核心的特性就是能夠?qū)⒕哂歇?dú)立計(jì)算能力的系統(tǒng)單元部署在不同的機(jī)器上，構(gòu)成一個(gè)完整的分布式系統(tǒng)。而與此同時(shí)，實(shí)際場(chǎng)景中往往也需要在這些分布在不同機(jī)器上的獨(dú)立系統(tǒng)單元中選出一個(gè)所謂的“老大”，在計(jì)算機(jī)中，我們稱之為Master。

在分布式系統(tǒng)中，Master往往用來(lái)協(xié)調(diào)集群中其他系統(tǒng)單元，具有對(duì)分布式系統(tǒng)狀態(tài)變更的決定權(quán)。例如，在一些讀寫(xiě)分離的應(yīng)用場(chǎng)景中，客戶端的寫(xiě)請(qǐng)求往往是由 Master來(lái)處理的；而在另一些場(chǎng)景中，Master則常常負(fù)責(zé)處理一些復(fù)雜的邏輯，并將處理結(jié)果同步給集群中其他系統(tǒng)單元。Master選舉可以說(shuō)是ZooKeeper最典型的應(yīng)用場(chǎng)景了，接下來(lái)，我們就結(jié)合“一種海量數(shù)據(jù)處理與共享模型”這個(gè)具體例子來(lái)看看 ZooKeeper在集群Master選舉中的應(yīng)用場(chǎng)景。

在分布式環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)碰到這樣的應(yīng)用場(chǎng)景：集群中的所有系統(tǒng)單元需要對(duì)前端業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)，比如一個(gè)商品 ID，或者是一個(gè)網(wǎng)站輪播廣告的廣告 ID（通常出現(xiàn)在一些廣告投放系統(tǒng)中）等，而這些商品ID或是廣告ID往往需要從一系列的海量數(shù)據(jù)處理中計(jì)算得到——這通常是一個(gè)非常耗費(fèi) I/O 和 CPU資源的過(guò)程。鑒于該計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜性，如果讓集群中的所有機(jī)器都執(zhí)行這個(gè)計(jì)算邏輯的話，那么將耗費(fèi)非常多的資源。一種比較好的方法就是只讓集群中的部分，甚至只讓其中的一臺(tái)機(jī)器去處理數(shù)據(jù)計(jì)算，一旦計(jì)算出數(shù)據(jù)結(jié)果，就可以共享給整個(gè)集群中的其他所有客戶端機(jī)器，這樣可以大大減少重復(fù)勞動(dòng)，提升性能。 這里我們以一個(gè)簡(jiǎn)單的廣告投放系統(tǒng)后臺(tái)場(chǎng)景為例來(lái)講解這個(gè)模型。

整個(gè)系統(tǒng)大體上可以分成客戶端集群、分布式緩存系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)處理總線和 ZooKeeper四個(gè)部分

首先我們來(lái)看整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。圖中的Client集群每天定時(shí)會(huì)通過(guò)ZooKeeper來(lái)實(shí)現(xiàn)Master選舉。選舉產(chǎn)生Master客戶端之后，這個(gè)Master就會(huì)負(fù)責(zé)進(jìn)行一系列的海量數(shù)據(jù)處理，最終計(jì)算得到一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果，并將其放置在一個(gè)內(nèi)存/數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)，Master還需要通知集群中其他所有的客戶端從這個(gè)內(nèi)存/數(shù)據(jù)庫(kù)中共享計(jì)算結(jié)果。

接下去，我們將重點(diǎn)來(lái)看 Master 選舉的過(guò)程，首先來(lái)明確下 Master 選舉的需求：在集群的所有機(jī)器中選舉出一臺(tái)機(jī)器作為Master。針對(duì)這個(gè)需求，通常情況下，我們可以選擇常見(jiàn)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的主鍵特性來(lái)實(shí)現(xiàn)：集群中的所有機(jī)器都向數(shù)據(jù)庫(kù)中插入一條相同主鍵 ID 的記錄，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)幫助我們自動(dòng)進(jìn)行主鍵沖突檢查，也就是說(shuō)，所有進(jìn)行插入操作的客戶端機(jī)器中，只有一臺(tái)機(jī)器能夠成功——那么，我們就認(rèn)為向數(shù)據(jù)庫(kù)中成功插入數(shù)據(jù)的客戶端機(jī)器成為Master。

借助數(shù)據(jù)庫(kù)的這種方案確實(shí)可行，依靠關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的主鍵特性能夠很好地保證在集群中選舉出唯一的一個(gè)Master。但是我們需要考慮的另一個(gè)問(wèn)題是，如果當(dāng)前選舉出的Master掛了，那么該如何處理？誰(shuí)來(lái)告訴我Master掛了呢？顯然，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)法通知我們這個(gè)事件。那么，如果使用ZooKeeper是否可以做到這一點(diǎn)呢？ 那在之前，我們介紹了ZooKeeper創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的API接口，其中一個(gè)重要特性便是：利用ZooKeeper的強(qiáng)一致性，能夠很好保證在分布式高并發(fā)情況下節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建一定能夠保證全局唯一性，即ZooKeeper將會(huì)保證客戶端無(wú)法重復(fù)創(chuàng)建一個(gè)已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。也就是說(shuō)，如果同時(shí)有多個(gè)客戶端請(qǐng)求創(chuàng)建同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么最終一定只有一個(gè)客戶端請(qǐng)求能夠創(chuàng)建成功。利用這個(gè)特性，就能很容易地在分布式環(huán)境中進(jìn)行Master選舉了。

在這個(gè)系統(tǒng)中，首先會(huì)在 ZooKeeper 上創(chuàng)建一個(gè)日期節(jié)點(diǎn)，例如“2020-11-11

客戶端集群每天都會(huì)定時(shí)往ZooKeeper 上創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，例如/master_election/2020-11-11/binding。在這個(gè)過(guò)程中，只有一個(gè)客戶端能夠成功創(chuàng)建這個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)客戶端所在的機(jī)器就成為了Master。同時(shí)，其他沒(méi)有在ZooKeeper上成功創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的客戶端，都會(huì)在節(jié)點(diǎn)/master_election/2020-11-11 上注冊(cè)一個(gè)子節(jié)點(diǎn)變更的 Watcher，用于監(jiān)控當(dāng)前的 Master 機(jī)器是否存活，一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的 Master 掛了，那么其余的客戶端將會(huì)重新進(jìn)行Master選舉。

從上面的講解中，我們可以看到，如果僅僅只是想實(shí)現(xiàn)Master選舉的話，那么其實(shí)只需要有一個(gè)能夠保證數(shù)據(jù)唯一性的組件即可，例如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的主鍵模型就是非常不錯(cuò)的選擇。但是，如果希望能夠快速地進(jìn)行集群 Master 動(dòng)態(tài)選舉，那么就可以基于 ZooKeeper來(lái)實(shí)現(xiàn)。


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