基于zookeeper实现服务节点HA主备自动切换

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前言

Spring Boot 主备切换可以采用数据库的主从同步、Zookeeper选举、Redis Sentinel等技术实现高可用。

其中，数据库的主从同步可以通过配置数据库的主从复制来实现。在主节点出现故障时，从节点可以自动接管并成为新的主节点。这种方式实现简单，但需要手动配置主从复制。

Zookeeper选举可以利用Zookeeper的特性来实现，即在Zookeeper上创建一个临时节点作为选举的标志，节点创建成功的服务就是主节点，其他服务则是备节点。在主节点出现故障时，Zookeeper会重新选举一个新的主节点。这种方式实现相对较为复杂，但具有更好的灵活性和可扩展性。

Redis Sentinel是Redis提供的一种高可用性解决方案，可以自动完成主从切换，同时具有自动故障检测和恢复等功能。Redis Sentinel需要在多个节点上运行，并且可以配置多个从节点来实现数据备份和故障转移。当主节点故障时，Redis Sentinel会自动将其中一个从节点升级为新的主节点，保证服务的高可用性。

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一、架构图和流程图

说明：
??主+备模式中有1个主服务节点、多个备服务节点，由主服务节点向外提供服务，备服务节点监听主机状态，一旦主服务节点宕机，备服务节点速接管主服务继续向外提供服务。
??通过Zookeeper（集群）服务注册/发现特性完成主备切换;

• 1-工作服务器启动时，各服务节点在ZooKeeper的Servers节点下创建临时节点，并把基本信息写入临时节点，完成注册;
• 2-各服务节点实时监听Servers节点的子节点列表，并尝试创建Master临时节点，谁创建成功谁就是Master，其他的服务节点就作为Slave
• 3-所有的服务节点关注Master节点的删除事件，通过监听Master节点的删除事件来体现Master服务器是否宕机（创建临时节点的服务器一旦宕机，它所创建的临时节点即会自动删除）
• 4-.一旦Master服务器宕机，其它服务节点开始新一轮的Master选举，计算新的Master服务器。

二、流程说明

1.服务启动初始化ZK、注册所有服务节点信息-MasterRegister

代码如下（示例）：

package com.merak.hyper.automation.zk;
import com.merak.hyper.automation.util.ZkHelper;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.boot.CommandLineRunner;
import org.springframework.core.annotation.Order;
import org.springframework.stereotype.Component;
/**
 * @author harry
 * @version 1.0
 * @ClassName: ZkMasterRegister
 * @description: zk主备MasterRegister:启动时初始化ZK、注册所有服务节点信息
 */
@Component
@Order(1)
public class ZkMasterRegister implements CommandLineRunner {
    public static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(ZkMasterRegister.class);
    @Value("${zk_master.status}")
    private String status;
    @Value("${zk_master.serviceurl}")
    private String serviceurl;

    @Override
    public void run(String... args) {
        if( ZkHelper.getInstance().zookeeperOpen(status) ) {
            String[] workServerArr = ZkHelper.getInstance().workServerInfo();
            if (!StringUtils.isBlank(workServerArr[0]) && !StringUtils.isBlank(serviceurl)) {
                LeaderSelectorZkClient.getInstance().initZk(serviceurl, workServerArr[0], workServerArr[1], workServerArr[2], ZkHelper.getInstance().zkMasterPath());
                log.info("程序启动,初始化ZK、注册服务节点等信息!");
            } else {
                log.warn("参数未配置zookeeper服务器的地址[sys.zookeeper.serviceurl],请检查!");//ip 和 name
            }
        }
        else{
            log.warn("当前调度服务为单节点服务，未配置zookeeper服务器");
        }
    }
}

2.创建、运行服务节点，并管理服务节点-LeaderSelectorZkClient。

工作服务器节点的基本信息
每个分布式服务节点基本信息包括：serviceIp、servicePort和name， 确保分布式服务节点的唯一性。

package com.merak.hyper.automation.zk;
import java.io.Serializable;

/**
 * 工作服务器节点的基本信息
 */
public class RunningData implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 4260577459043203630L;

    private String serviceIp;
    private String servicePort;
    private String name;

    public String getServiceIp() {
        return serviceIp;
    }

    public void setServiceIp(String serviceIp) {
        this.serviceIp = serviceIp;
    }

    public String getServicePort() {
        return servicePort;
    }

    public void setServicePort(String servicePort) {
        this.servicePort = servicePort;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "RunningData{" +
                "serviceIp='" + serviceIp + '\'' +
                ", servicePort='" + servicePort + '\'' +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

创建、运行服务节点，并管理服务节点
代码如下（示例）：

/**
     * @description: ZOOKEEPER_SERVER连接和服务节点管理
     * @param: [zookeeper_server, session_connection_timeout, serviceIp, serviceName] 
     * @return: void
     */
    public  void initZk(String zookeeper_server,String serviceIp, String serviceName, String servicePort,String zkMasterName) {
        try {
            log.info("创建服务器节点["+serviceIp+","+serviceName+"]开始!");
            //创建zkClient
            client = ZkConnect.getInstance().connectZkSever(zookeeper_server);
            //创建serverData
            runningData = new RunningData();
            runningData.setServiceIp(serviceIp);
            runningData.setName(serviceName);
            runningData.setServicePort(servicePort);
            //创建服务
            workServer = new WorkServer(runningData,zkMasterName);
            workServer.setZkClient(client);
            workServer.start();
            log.info("创建服务器节点["+serviceIp+","+serviceName+"]结束!");
        } catch (Exception e) {
            log.error("zookeeper_server init error,msg=" + e.getMessage());
        } finally {
            log.info("zookeeper_server finally ...");
        }
    }

服务节点启动、订阅Master节点删除事件、争抢Master权利成为master节点
代码片断如下：

    //初始化工作服务器WorkServer信息
    public WorkServer(RunningData rd, String zkMasterName) {
        this.serverData = rd; // 记录服务器基本信息
        this.MASTER_PATH = zkMasterName;
        this.dataListener = new IZkDataListener() {
            public void handleDataDeleted(String dataPath) {
                //master切换时需要重置 调度云托管任务表 schedule_status = init
                zkResetScheduleStatus.switchResetScheduleStatus();
                log.info(dataPath + "路径已经删除，开始新一轮Master抢占");
                if (masterData != null && masterData.getName().equals(serverData.getName())
                        && masterData.getServiceIp().equals(serverData.getServiceIp())
                        && masterData.getServicePort().equals(serverData.getServicePort())) {
                    takeMaster();//自己就是上一轮的Master服务器，则直接抢
                } else {
                    //否则延迟5秒后再抢。应对网络抖动给上一轮的Master服务器优先抢占master的权利，避免不必要的数据迁移开销
                    delayExecutor.schedule(new Runnable() {
                        public void run() {
                            log.info("服务器开始抢占Master权利");
                            takeMaster();
                        }
                    }, delayTime, TimeUnit.SECONDS);
                }
            }

            public void handleDataChange(String dataPath, Object data) {
                log.info("IZkDataListener - handleDataChange,dataPath=" + dataPath + ",data=" + data.toString());
            }
        };
    }
    
    .....
    
    // 1 启动服务器
    public void start() throws Exception {
        if (running) {
            throw new Exception("server has startup...");
        }
        running = true;
        // 2 订阅Master节点删除事件
        zkClient.subscribeDataChanges(MASTER_PATH, dataListener);
        // 3 争抢Master权利
        takeMaster();
    }

    .....
    
    // 争抢Master
    private void takeMaster() {
        if (!running)
            return;
        try {
            if (!zkClient.exists(MASTER_PATH)) {
                // 尝试创建Master临时节点
                zkClient.create(MASTER_PATH, serverData, CreateMode.EPHEMERAL);
                masterData = serverData;
                log.info("服务器节点[" + serverData.getServiceIp() + "," + serverData.getName() + "," + serverData.getServicePort() + "]争抢Master成功，成为master[isMaster]!");
            } else {
                // 已被其他服务器创建了,读取Master节点信息
                RunningData runningData = zkClient.readData(MASTER_PATH, true);
                log.info("master已被服务器节点[" + runningData.getServiceIp() + "," + runningData.getName() + "," + runningData.getServicePort() + "]占有,当前节点["
                        + serverData.getServiceIp() + "," + serverData.getName() + "," + serverData.getServicePort() + "]只能读取master节点信息!");
                if (runningData == null) {
                    takeMaster(); // 没读到或读取瞬间Master节点宕机可争抢
                } else {
                    masterData = runningData;
                }
            }
        } catch (ZkNodeExistsException e) {
            log.error("当前节点" + serverData.getServiceIp() + "," + serverData.getName() + "," + serverData.getServicePort() + "]创建Master临时节点异常,msg=" + e.getMessage());
        } catch (Exception e) {
            log.error("当前节点" + serverData.getServiceIp() + "," + serverData.getName() + "," + serverData.getServicePort() + "]争抢Master异常,msg=" + e.getMessage());
        }
    }

3.典型场景-调度服务单体执行-DigitalEmpTask

需求：某个时刻只允许Master节点执行调度服务，其它Slave从节点处于闲置、不执行状态。

package com.merak.hyper.automation.quartz.task;
import com.merak.hyper.automation.util.DateUtils;
import com.merak.hyper.automation.util.ZkHelper;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.scheduling.annotation.Scheduled;
import org.springframework.stereotype.Component;
/**
 * @author harry
 * @version 1.0
 * @ClassName: BizOrderTask
 * @description: 任务队列服务调度
 */
@Component
public class DigitalEmpTask {
    public static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(DigitalEmpTask.class);

    @Value("${zk_master.status}")
    private String status;

    @Scheduled(cron = "0/30 * * * * ?")
    protected void digitalEmpTaskScheduler() {
        //1.判断是否开启zookeeper分布式调度模式
        if( ZkHelper.getInstance().zookeeperOpen(status) ) {
            //2.判断当前工作服务节点为Master节点
            if( ZkHelper.getInstance().checkMaster() ) {
                executeCloudTask();
            }
        }
        else{
            //1.未开启zookeeper分布式调度模式，为单节点部署
            executeCloudTask();
        }
    }

    public void executeCloudTask(){
        log.info("任务开始执行,时间:" + DateUtils.dateTimeNow(DateUtils.YYYY_MM_DD_HH_MM_SS));
        try {

        } catch (Exception e) {
            log.error("调度失败，原因：" + e.getMessage());
        }
    }

}

总结

1.线上1主2从已运行半年，可达到HA业务需求、自动切换能力
2.前端采取Nginx负载、分流，配置多个工作服务节点

参考

浅析如何基于ZooKeeper实现高可用架构
源代码下载