ZooKeeper服务端启动源码单机

从服务端启动脚本可以看到启动类为org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumPeerMain，在这个类注释了关于启动程序的配置文件

第一个参数为配置文件，用于获取配置信息。该文件是一个属性文件，因此键和值由equals(=)分隔，键/值对由换行分隔。下面是配置文件中使用的键的一般摘要。

dataDir - The directory where the ZooKeeper data is stored.

dataLogDir - The directory where the ZooKeeper transaction log is stored.

clientPort - The port used to communicate with clients.

tickTime - The duration of a tick in milliseconds. This is the basic unit of time in ZooKeeper.

initLimit - The maximum number of ticks that a follower will wait to initially synchronize with a leader.

syncLimit - The maximum number of ticks that a follower will wait for a message (including heartbeats) from the leader.

server.id - This is the host:port[:port] that the server with the given id will use for the quorum protocol.

除了配置文件。数据目录中有一个名为“myid”的文件，其中包含服务器id作为ASCII十进制值。

public static void main(String[] args) {
  QuorumPeerMain main = new QuorumPeerMain();
  main.initializeAndRun(args);
}

initializeAndRun方法中初始化并启动

protected void initializeAndRun(String[] args) {
  QuorumPeerConfig config = new QuorumPeerConfig();
  if (args.length == 1) {
        //解析配置文件zoo.cfg
    config.parse(args[0]);
  }

  // 创建并启动历史文件清理器DatadirCleanupManager
  DatadirCleanupManager purgeMgr = new DatadirCleanupManager(config
        .getDataDir(), config.getDataLogDir(), config
        .getSnapRetainCount(), config.getPurgeInterval());
  purgeMgr.start();
    // 判断是分布式还是单机
  if (args.length == 1 && config.isDistributed()) {
    runFromConfig(config);
  } else {
    LOG.warn("。。");
    // there is only server in the quorum -- run as standalone
    ZooKeeperServerMain.main(args);
  }
}

解析配置文件zoo.cfg
创建并启动历史文件清理器DatadirCleanupManager
判断当前是集群模式还是单机模式的启动

先分析单机模式，调用ZooKeeperServerMain.main(args);，这个类启动并运行一个独立的ZooKeeperServer。

注册MBean
```
ManagedUtil.registerLog4jMBeans();
```

解析ServerConfig

ServerConfig config = new ServerConfig();
config.parse(args[0]);

启动
```
runFromConfig(config);
```

进入runFromConfig方法后

创建ZooKeeperServer实例

final ZooKeeperServer zkServer = new ZooKeeperServer();

实例化FileTxnSnapLog，txnlog和snapshot的助手类

 txnLog = new FileTxnSnapLog(config.dataLogDir, config.dataDir);

设置zkServer属性

zkServer.setTxnLogFactory(txnLog);
zkServer.setTickTime(config.tickTime);
zkServer.setMinSessionTimeout(config.minSessionTimeout);
zkServer.setMaxSessionTimeout(config.maxSessionTimeout);

创建cnxnFactory，配置并启动，默认为NIOServerCnxnFactory

cnxnFactory = ServerCnxnFactory.createFactory();
cnxnFactory.configure(config.getClientPortAddress(), config.getMaxClientCnxns());
cnxnFactory.startup(zkServer);

configure配置连接工厂

public void configure(InetSocketAddress addr, int maxcc) throws IOException {
  configureSaslLogin();

  thread = new ZooKeeperThread(this, "NIOServerCxn.Factory:" + addr);
  thread.setDaemon(true);
  maxClientCnxns = maxcc;
  this.ss = ServerSocketChannel.open();
  ss.socket().setReuseAddress(true);
  LOG.info("binding to port " + addr);
  ss.socket().bind(addr);
  ss.configureBlocking(false);
  ss.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}

创建一个后台线程，传参为this，也就是说thread线程将执行cnxnFactory的方法
打开ServerSocketChannel，监听端口

主线程阻塞并等待信号，优雅关机

shutdownLatch.await();
shutdown();
//主线程等待IO线程执行完成
cnxnFactory.join();
if (zkServer.canShutdown()) {
    zkServer.shutdown(true);
}

第8步并不是主流程，而是等待shutdownLatch的信号，执行关机操作

进入NIOServerCnxnFactory的startup方法

start();
setZooKeeperServer(zks);
zks.startdata();
zks.startup();

start方法启动接收连接的线程

thread.start();

在第7步说了，该thread将执行cnxnFactory的run方法，run方法内部就是接收连接、处理新连接，也是常规的NIO操作

for (SelectionKey k : selectedList) {
  if ((k.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) != 0) {
    SocketChannel sc = ((ServerSocketChannel) k.channel()).accept();
    InetAddress ia = sc.socket().getInetAddress();
    int cnxncount = getClientCnxnCount(ia);
    // 1 这个是对同一个ip限制最大连接树，配置文件可配
    if (maxClientCnxns > 0 && cnxncount >= maxClientCnxns){
      LOG.warn("Too many connections from " + ia + " - max is " + maxClientCnxns );
      sc.close();
    } else {
      LOG.info("Accepted socket connection from " + sc.socket().getRemoteSocketAddress());
      sc.configureBlocking(false);
      SelectionKey sk = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
      // 2 为每个客户端channel创建一个NIOServerCnxn，并把cnxn放到SelectionKey的attachment上
      NIOServerCnxn cnxn = createConnection(sc, sk);
      sk.attach(cnxn);
      addCnxn(cnxn);
    }
  } else if ((k.readyOps() & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE)) != 0) {
    // 3 读写，取出attachment，处理IO
    NIOServerCnxn c = (NIOServerCnxn) k.attachment();
    c.doIO(k);
  } else {
    if (LOG.isDebugEnabled()) {
      LOG.debug("Unexpected ops in select " + k.readyOps());
    }
  }
}
selected.clear();

新连接对同一个ip限制最大连接树，配置文件可配
新连接为每个客户端channel创建一个NIOServerCnxn，并把cnxn放到SelectionKey的attachment上
读写操作，取出上面的attachment，也就是NIOServerCnxn，处理IO

关于请求处理流程这里不分析

回到第9步，zks.startdata();恢复数据，重点关注一下
内部调用loadData方法，恢复session和节点数据

public void loadData() {
  // 设置Zxid，这个在集群选举的时候很重要
  if(zkDb.isInitialized()){
    setZxid(zkDb.getDataTreeLastProcessedZxid());
  } else {
    // 未初始化，加载数据并设置Zxid
    setZxid(zkDb.loadDataBase());
  }

  // 清理过期session
  LinkedList<Long> deadSessions = new LinkedList<Long>();
  for (Long session : zkDb.getSessions()) {
    if (zkDb.getSessionWithTimeOuts().get(session) == null) {
      deadSessions.add(session);
    }
  }
  zkDb.setDataTreeInit(true);
  for (long session : deadSessions) {
    // XXX: Is lastProcessedZxid really the best thing to use?
    killSession(session, zkDb.getDataTreeLastProcessedZxid());
  }
}

ZKDatabase#loadDataBase方法内部通过调用FileTxnSnapLog#restore恢复数据，这里面有一些zk关于数据存储和恢复的机制需要关注下。

/**
* 这个函数在读取快照和事务日志之后恢复服务器数据库
*/
public long restore(DataTree dt, Map<Long, Integer> sessions, 
                    PlayBackListener listener) throws IOException {
  // 1
  snapLog.deserialize(dt, sessions);
  // 2
  return fastForwardFromEdits(dt, sessions, listener);
}

从最后一个有效快照反序列化数据树，并返回最后一个反序列化的zxid
对服务器数据库进行快进处理，使其包含最新的事务。这与恢复相同，但只从事务日志中读取，而不从快照中恢复。

简单来说就是先通过snapshot恢复数据，然后从log中补充缺失的数据。

进到FileSnap#deserialize方法

public long deserialize(DataTree dt, Map<Long, Integer> sessions) throws IOException {
  // 查找最新的、有效的100个snapshot文件
  List<File> snapList = findNValidSnapshots(100);
  if (snapList.size() == 0) {
    return -1L;
  }
  File snap = null;
  boolean foundValid = false;
  for (int i = 0; i < snapList.size(); i++) {
    snap = snapList.get(i);
    InputStream snapIS = null;
    CheckedInputStream crcIn = null;
    try {
      LOG.info("Reading snapshot " + snap);
      snapIS = new BufferedInputStream(new FileInputStream(snap));
      crcIn = new CheckedInputStream(snapIS, new Adler32());
      InputArchive ia = BinaryInputArchive.getArchive(crcIn);
      deserialize(dt,sessions, ia);
      long checkSum = crcIn.getChecksum().getValue();
      long val = ia.readLong("val");
      if (val != checkSum) {
        throw new IOException("CRC corruption in snapshot :  " + snap);
      }
      // 已恢复有效的snapshot文件
      foundValid = true;
      break;
    } catch(IOException e) {
      LOG.warn("problem reading snap file " + snap, e);
    } finally {
      if (snapIS != null) 
        snapIS.close();
      if (crcIn != null) 
        crcIn.close();
    } 
  }
  if (!foundValid) {
    throw new IOException("Not able to find valid snapshots in " + snapDir);
  }
  //Zxid
  dt.lastProcessedZxid = Util.getZxidFromName(snap.getName(), SNAPSHOT_FILE_PREFIX);
  return dt.lastProcessedZxid;
}

snapshot文件的查找通过配置中的dataDir目录中以snapshot开头的文件
100个？在后续的恢复代码中可以看到，snapshot文件可能出错，需要从多个文件中重试，zookeeper可以通过配置定期删除不需要的、旧的snapshot文件
snapshot文件命名即为snapshot.zxid的形式，根据snapshot的文件的名称即可得到最新的zxid

接下来从log文件恢复snapshot文件缺失的数据，FileTxnSnapLog#fastForwardFromEdits方法

public long fastForwardFromEdits(DataTree dt, Map<Long, Integer> sessions,
                                 PlayBackListener listener) throws IOException {
  // 1. log文件
  FileTxnLog txnLog = new FileTxnLog(dataDir);
  // 2 iterator
  TxnIterator itr = txnLog.read(dt.lastProcessedZxid+1);
  long highestZxid = dt.lastProcessedZxid;
  TxnHeader hdr;
  try {
    while (true) {
      // 迭代到的TxnHeader
      hdr = itr.getHeader();
      if (hdr == null) {
        //empty logs 
        return dt.lastProcessedZxid;
      }
      if (hdr.getZxid() < highestZxid && highestZxid != 0) {
        LOG.error("...");
      } else {
        highestZxid = hdr.getZxid();
      }
      try {
        //3
        processTransaction(hdr,dt,sessions, itr.getTxn());
      } catch(KeeperException.NoNodeException e) {
        throw new IOException("...");
      }
      //4
      listener.onTxnLoaded(hdr, itr.getTxn());
      //5
      if (!itr.next()) 
        break;
    }
  } finally {
    if (itr != null) {
      itr.close();
    }
  }
  return highestZxid;
}

这个dataDir并不是配置文件中配置的dataDir，而是dataLogDir，在ZooKeeperServerMain#runFromConfig方法中，创建txnLog时

txnLog = new FileTxnSnapLog(new File(config.dataLogDir), new File(config.dataDir));
// FileTxnSnapLog构造函数
public FileTxnSnapLog(File dataDir, File snapDir) throws IOException {
  this.dataDir = new File(dataDir, version + VERSION);
  this.snapDir = new File(snapDir, version + VERSION);
  
  txnLog = new FileTxnLog(this.dataDir);
  snapLog = new FileSnap(this.snapDir);
}

可以看到配置中dataDir是snapLog文件的路径，而dataLogDir是txnLog的路径，但dataLogDir不是必须配置的，在QuorumPeerConfig#parseProperties方法，解析config时

if (dataDir == null) {
  throw new IllegalArgumentException("dataDir is not set");
}
if (dataLogDir == null) {
  dataLogDir = dataDir;
}

可以看到dataDir是必须配置的，而dataLogDir不配置时会取dataDir。

创建并初始化TxnIterator，初始化会读取事务日志中比snapshot的zxid大的日志
```
// FileTxnIterator#init
while (hdr.getZxid() < zxid) {
  if (!next())
    return;
}
```
处理本地事务，保存到dataTree中
将提议加入到广播队列中，等待选举称为Leader后广播给其他Followers、Leaners，暂不考虑，需要注意的是传入的listener是调用ZKDatabase#loadDataBase方法传入的commitProposalPlaybackListener
```
private final PlayBackListener commitProposalPlaybackListener = new PlayBackListener() {
  public void onTxnLoaded(TxnHeader hdr, Record txn){
    addCommittedProposal(hdr, txn);
  }
};
```
迭代下一个事务操作

通过读取snapshot文件+log文件，将内存数据库恢复

回到第9步，zks.startup();

public synchronized void startup() {
  //1 会话管理器
  if (sessionTracker == null) {
    createSessionTracker();
  }
  startSessionTracker();
  // 请求处理链
  setupRequestProcessors();

  // jmx
  registerJMX();

  setState(State.RUNNING);
  notifyAll();
}

startup方法有很多子流程

创建并启动会话管理器
```
protected void createSessionTracker() {
  sessionTracker = new SessionTrackerImpl(this, zkDb.getSessionWithTimeOuts(),
                                          tickTime, 1, getZooKeeperServerListener());
}
protected void startSessionTracker() {
  ((SessionTrackerImpl)sessionTracker).start();
}
```
在SessionTrackerImpl的构造函数中
```
public SessionTrackerImpl(SessionExpirer expirer,
  ConcurrentHashMap<Long, Integer> sessionsWithTimeout, int tickTime,
  long sid, ZooKeeperServerListener listener) {
  super("SessionTracker", listener);
  this.expirer = expirer;
  this.expirationInterval = tickTime;
  this.sessionsWithTimeout = sessionsWithTimeout;
  nextExpirationTime = roundToInterval(Time.currentElapsedTime());
  this.nextSessionId = initializeNextSession(sid);
  for (Entry<Long, Integer> e : sessionsWithTimeout.entrySet()) {
    addSession(e.getKey(), e.getValue());
  }
}
```
- 传入的expirer是zks实例，也就是会调用ZooKeeperServer#expire方法过期session
- expirationInterval是配置文件中配置的tickTime，作为过期分桶的最小间隔
- sessionsWithTimeoutsessionId的过期时间
- nextExpirationTime下次清理过期session的时间，从SessionTrackerImpl#roundToInterval方法可以看出分桶过期策略
- nextSessionId分配sessionId时起始值，值为serverId(8) + time(40) + 0(16)：高8为为serverId（这里传入的1），中40位为时间，底16位递增
- 遍历sessionsWithTimeout调用addSession方法，这个方法内部创建SessionImpl实例作为session的实体，同时调用SessionTrackerImpl#touchSession方法将session分桶，同样是调用roundToInterval方法
启动：sessionTracker作为线程启动，后台定期清理过期数据

设置请求处理链

protected void setupRequestProcessors() {
  RequestProcessor finalProcessor = new FinalRequestProcessor(this);
  RequestProcessor syncProcessor = new SyncRequestProcessor(this, finalProcessor);
  ((SyncRequestProcessor)syncProcessor).start();
  firstProcessor = new PrepRequestProcessor(this, syncProcessor);
  ((PrepRequestProcessor)firstProcessor).start();
}

单机模式的请求链

PrepRequestProcessor -> SyncRequestProcessor -> FinalRequestProcessor

注册JMX服务

那么至此单机版zk就启动完成了，接下来便是处理请求、响应请求、触发节点监听等处理了。

ZooKeeper服务端启动源码 单机

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