Zookeeper從設計模式角度來看，是一個基於觀察者模式設計的分佈式服務管理框架，它負責存儲和管理大家都關心的數據，然後接受觀察者的註冊，一旦這些數據的狀態發生變化，Zookeeper就將負責通知已經在Zookeeper上註冊的那些觀察者做出相應的反應，從而實現集羣中類似Master/Slave管理模式。
ZooKeeper中有下面的應用：
統一命名服務（NameService）
配置管理（ConfigurationManagement）
集羣管理（GroupMembership）
共享鎖（Locks）
隊列管理
1. Zk數據模型和層級namespace：
ZK的名稱空間非常類似文件系統，名稱爲一系列的path，例如”/root/app/task”,ZK中每個node都是通過path來標識的。和文件系統不同的是，每個node可以有關聯的data，字節點也是如此，這一點可以類比爲文件系統允許path爲file或者目錄。ZK的設計是爲了存儲“協調”數據：狀態信息，配置，位置信息等；所以每個節點的data都非常的小，b-kb範圍。
Znode維護着一個“狀態結構”（stat structure），其中包括data/ACL變更的version和時間戳，用來校驗協調數據的變更，每次znode數據變更，將會導致version號增加，每次獲取數據時，version信息也會一同獲取。
znode中的data讀寫是原子性的，read獲取znode中關聯的所有數據，write採用replace的方式“寫入”數據，每個node都有ACL（access control list）來限制操作。
zk還有一種node爲“臨時節點“（ephemeral node），這種節點的生命週期和相應的session一致，session失效後，節點會被刪除；臨時節點，在很多設計中具有重要的意義。
2. Watches：
Zk提供了一種”watch“的機制，client可以在znode上設置（註冊）watch。watch將會在znode節點變更時觸發，當watch觸發，client將會收到znode變更的數據消息。並且當client與server的鏈接失效後，client也會受到一個本地的通知。Watch機制爲zookeeper客戶端提供了一種”異步”以及callback方式數據獲取,客戶端可以針對自己感興趣(手動註冊的watch)或者系統事件作出相應操作.
1) 節點變更事件類型(Watcher.Event.EventType):
- None:空事件類型,表示當前事件不是節點變更事件(極有可能是KeeperState事件)
- NodeCreated :當註冊的watcher所關注的節點被創建時
- NodeDeleted :當註冊的watcher所關注的節點被刪除時
- NodeDataChanged :當註冊的watcher所關注的節點數據被update時
- NodeChildrenChanged:當註冊的watcher所關注的節點的子節點列表有變更時.
2) Server狀態事件 (Watcher.Event.KeeperState):此類型事件爲了告知client端,此時server端狀態發生了何種變更
- Disconnected:當client端失去鏈接時,將會發出一個本地消息(此event非server端返回),接下來也極有可能會拋出異常(例如: ConnectionLossException, SessionExpiredException, SessionMovedException等..)
- SyncConnected:client已經成功和ZK server建立連接,通常和Follower或者Leader建立連接.
- AuthFailed:授權驗證失敗,比如建立連接時,鏈接重建或者session校驗時.
- ConnectedReadOnly:client和一個read-only server建立了鏈接.可能因爲環境問題,導致當前client無法找到ZK 環境中的”Followers”或者客戶端被允許連接到Observer類型的server上.
- Expired:當前session已經過期,其數據已經被cluster移除;這種信息是非常致命的,可能是因爲client端長時間離羣,或者ZK 集羣已經失效太久;一旦出現這個事件,唯一的辦法就是new Zookeeper(…)
Zk非常快速而且簡單，這是它的目標，不過zk也提供了構建複雜服務的基礎，例如同步，它提供了一些保證：
- 順序一致性：數據的更新將按照client發送請求的順序執行。
- 原子性：數據更新必須有確切的結果,成功或者失敗。
- 一致性視圖：無論client鏈接哪個server，它將獲得一致的服務的視圖（view）。
- 可靠性：一旦更新被執行，它將被持久存儲。
- 實時性：在一定時間內，系統保證client的視圖是實時的。
3. 簡單API：
ZK的一個目標就是提供簡單的API接口，如下就是其支持的操作:(請參考:org.apache.zookeeper.Zookeeper)
- create：新增節點: public String create(String path,byte[] data,List<ACL> acl,CreateMode mode),同步創建;public void create(String path,byte[] data,List<ACL> acl,CreateMode mode,StringCallback cb,Object ctx),使用callback方式.
- delete：刪除節點
- exites：檢測節點是否存在 –--支持Watcher
- getData：獲取node上關聯的數據 ----支持Watcher
- setData：重置node上關聯的數據
- sync：同步操作，等待數據的傳播
4. 實現(implementation)：
這種可”複製“的database(解釋:我們成爲replicas database,每個ZK Server都持有一個本地的全數據鏡像數據庫副本)以data tree的方式保存在內存中，更新操作首先被持久在log中以便恢復；write在應用在內存之前首先被存儲在disk中。每個ZK server都能服務clients，client向其鏈接的server提交請求，對於read請求將會直接從本地”複製“的內存數據庫中獲取；對於更改服務狀態的write請求，將會採用agreement protocal(ZK中採用二步提交方式)。agreement protocal將會把client提交的write請求轉發給單一的server,即leader。對於其他的folower，接受leader的消息提議，同意其消息傳輸。消息層會關注leader失效時的交替以及folower和leader的數據同步。
Zk使用自定義的原子性消息傳播機制（ZAB），因爲消息層是原子性的，ZK能夠確保本地備份不會”偏離“；當leader接受到write請求後，在應用write操作時它會”計算“系統的狀態，並以事務的方式更新狀態。
Zk本身並不是數據庫，也不是爲數據存儲而生，所以znode上掛載的數據儘量的小，默認配置爲1M，一般我們建議此數據應該儘量的小，因爲存儲太大的數據將會造成server的操作耗時（數據庫在集羣中傳輸時間較長，網絡環境複雜也會增加數據傳輸出錯的機會），帶來請求響應延遲增大；如果你的應用需要ZK維護一些較大的數據，建議數據存儲採用其他的文件系統(或數據庫)，ZK的node上只存儲文件的引用位置。
5. Sequence Nodes：
對於普通的節點創建,我們指定path,這適合一般場景;不過,在創建節點時，你可以要求ZK爲你在path的結尾追加一個自增的計數。此計數器對於其父節點而言是唯一的。計數器的格式爲%010d—10個數字前綴用0來填充：000000001，其最大值爲Integer.MAX_VALUE.
6. Zk的時間跟蹤：
- zid：事務ID，每個數據變更操作的請求，ZK Leader都會爲其生成一個全局唯一的zid，zid也標識這請求變更的順序，如果zid1 < zid2，則認爲zid1在zid2之前發生。
- version number：對node的任何更新都將會導致其version增加，每個節點都有3種version: version(znode節點數據變更)，cversion(子節點變更)，aversion(此節點ACL變更)。
- Ticks：當使用多個zk server時，server需要使用ticks來聲明事件的耗時，比如狀態裝載，session過期，peer間的鏈接超時等。
- real time：ZK不使用絕對時間，對於數據的變更使用了時間戳。
7. ZK stat 結構：
- czxid:node創建時的zxid。
- mzxid：znode的數據最後更新的zxid
- ctime：此節點創建時來自epoch的time毫秒數
- mtime：znode最後更新的毫秒數，來自epoch
- version：znode數據更新的版本號
- cversion:znode的字節點變更的版本號
- aversion：znode的ACL變更的版本號
- ephemeralOwner:臨時節點的session id，如果不是臨時節點，將爲0
- dataLength：znode中掛載的數據的長度
- numChildren：znode中子節點的個數
ZK 數據結構,請參考:
1) org.apache.zookeeper.server.DataNode; 數據的最小表示單元,每個path最終將會以DataNode來表示
2) org.apache.zookeeper.server.DataTree; DataNode的維護關係,根據path層級關係將DataNode邏輯上存儲爲Tree
3) org.apache.zookeeper.server.ZKDatabase: ZK本地數據庫,存儲了DataTree,ACL,Sessions列表,Wathers列表等.
4) org.apache.zookeeper.server.SessionTracker.Session:客戶端和server的鏈接信息
5) org.apache.zookeeper.server.persistence.FileTxnLog: ZK server所接收到的變更操作,以日誌方式存儲