手摸手教你阅读和调试大型开源项目 ZooKeeper

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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

先给这个配置起一个牛逼的名字
选择 Modify options 打开子菜单
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

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）
选择 zookeeper
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
指定启动类 org.apache.zookeeper.server.ZooKeeperServerMain
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
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
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。

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
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：

启动类不同，集群的为 org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumPeerMain
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：

gz：GZIPInputStream
snappy：SnappyInputStream
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

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，欢迎来仓库中提问，或者阅读原文来语雀话题讨论。

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

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