長篇圖解etcd核心應(yīng)用場景及編碼實(shí)戰(zhàn)

大家好啊，我是字母哥，今天寫一篇關(guān)于etcd的文章，其實(shí)網(wǎng)上也有很多關(guān)于etcd的介紹，我就簡明扼要，總結(jié)提煉，期望大家通過這一篇文章掌握etcd的核心知識以及編碼技能！

本文首先用大白話給大家介紹一下etcd是什么？這部分內(nèi)容網(wǎng)上已經(jīng)有很多了。
etcd有哪些應(yīng)用場景？這些應(yīng)用場景的核心原理是什么？
最后不能光動嘴不動手。先搭建一個etcd單機(jī)版，再使用java的客戶端操作etcd數(shù)據(jù)。

本文旨在幫助大家理解etcd，從宏觀角度俯瞰etcd全局，掌握etcd的基本操作技能。后續(xù)我還會寫一個系列的文章，將每一種應(yīng)用場景代碼化，期待大家關(guān)注我和我的公眾號：字母哥雜談。后續(xù)計劃章節(jié)內(nèi)容如下：

《搭建高可用etcd集群》
《基于etcd實(shí)現(xiàn)分布式鎖（java代碼實(shí)現(xiàn)）》
《基于etcd實(shí)現(xiàn)配置變更通知（java代碼實(shí)現(xiàn)）》
《基于etcd實(shí)現(xiàn)服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn)（java代碼實(shí)現(xiàn)）》
《基于etcd實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)leader選舉（java代碼實(shí)現(xiàn)）》

一、白話etcd與zookeeper

用過linux的朋友請舉手，好的，我看見了！在 linux 中所有自動安裝的系統(tǒng)軟件配置文件都存儲在一個名為/etc的目錄中。“d”表示distributed分布式，etcd為分布式模型，所以etcd的核心應(yīng)用場景是：分布式系統(tǒng)的配置信息存儲。

網(wǎng)上很多文章上來第一句話照搬英文官網(wǎng)：etcd 是一個高度一致的分布式鍵值存儲系統(tǒng)。很多朋友看完就問了，這玩意和redis有啥區(qū)別？筆者要說，真的不要這么比，etcd從名字上就已經(jīng)告訴你了，它是存儲配置信息(元數(shù)據(jù))的。和redis在架構(gòu)應(yīng)用上就不在一個層面，它對標(biāo)的產(chǎn)品應(yīng)該是zookeeper。雖然zookeeper在很多java的分布式系統(tǒng)的應(yīng)用中比較廣泛，但是etcd作為后起之秀，乘kubernetes的東風(fēng)，大有超越zookeeper的趨勢。

zookeeper是使用java寫的， etcd是使用go語言編寫的。zookeeper使用了TCP協(xié)議，其交互報文規(guī)則是完全自定義的，如果不使用zookeeper提供的SDK就無法操作數(shù)據(jù)。而etcd使用的是google的gRPC協(xié)議，普適性更好一些。
zookeeper對于一次請求，開啟一個socket進(jìn)行監(jiān)聽。而etcd的監(jiān)聽管道channel可以反復(fù)被利用，從IO性能到系統(tǒng)資源的利用的角度，etcd無疑是更優(yōu)秀的。
zookeeper使用zab協(xié)議保證集群節(jié)點(diǎn)配置信息的一致性，etcd使用raft協(xié)議。期望詳細(xì)了解raft協(xié)議的，點(diǎn)擊《raft協(xié)議中文介紹》。

大部分功能和zookeeper都是一樣的，目前看java程序員用zookeeper的更多，其他程序員用etcd更多。都是基于習(xí)慣，但筆者推薦etcd。

二、etcd的4個核心機(jī)制

etcd以key-value的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲. 配合下面的這四種機(jī)制,使得etcd的應(yīng)用場景更加的廣泛.

Prefix 機(jī)制：即前綴機(jī)制，也稱目錄機(jī)制，客戶端向etcd放入2個鍵值對配置, 假如一個key是“/test/key1" , 另一個key是"/test/key2". 則通過前綴"/test"查詢etcd，返回一個列表包含key為“/test/key1" 和"/test/key2"的鍵值對數(shù)據(jù)；
Watch 機(jī)制：即監(jiān)聽機(jī)制，watch機(jī)制針對某個key進(jìn)行監(jiān)聽,也支持針對前綴進(jìn)行范圍監(jiān)聽. 當(dāng)被監(jiān)聽的key 或前綴范圍發(fā)生變化的時候，客戶端會收到變更通知；
Lease 機(jī)制：即租約機(jī)制（TTL，Time To Live），支持為key-value增加一個存活時間,超過這個時間key-value將過期被刪除. 支持解約(刪除key-value),續(xù)約(增加TTL時間)等操作.
Revision 機(jī)制：每個key帶有一個全局唯一的Revision 號，每一次事務(wù)加1，它是全局唯一的，所以通過Revision可以判定數(shù)據(jù)寫操作的順序,對于實(shí)現(xiàn)分布式鎖和隊列非常有幫助.

三、Leader選舉與客戶端交互

使用etcd的時候，為了保證高可用，通常采用集群的部署方式。部署奇數(shù)個節(jié)點(diǎn)，通常建議是3個或5個，因?yàn)閑tcd集群之間需要通過網(wǎng)絡(luò)交互保證配置信息的一致性。分布式多節(jié)點(diǎn)保證了高可用，但是節(jié)點(diǎn)太多了也不好，越多的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)消耗越大。至于為什么是奇數(shù)個？這就涉及到Leader選舉的問題，奇數(shù)個方便投票出結(jié)果。

etcd使用raft算法保證集群內(nèi)各個節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)一致性。raft算法將集群內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分為Leader, Follower, Candidate(候選人)這三個角色。

集群初始化的時候，每個節(jié)點(diǎn)都是Follower角色。通過raft算法選舉投票，選出一個節(jié)點(diǎn)作為Leader。
Leader作為主節(jié)點(diǎn)，與其他節(jié)點(diǎn)維持心跳，并同步數(shù)據(jù)至其他節(jié)點(diǎn)。
當(dāng)Follower一段時間內(nèi)沒有收到leader的心跳，就會將自己角色改為Candidate候選者，并發(fā)起一次新的選舉，選舉新的Leader。

客戶端在操作etcd集群數(shù)據(jù)的時候：

讀操作：客戶端可以訪問任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀操作
寫操作：客戶端訪問任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行寫操作，如果該節(jié)點(diǎn)是Follower，則將請求轉(zhuǎn)發(fā)給Leader。由Leader負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的寫操作(增刪改)，將數(shù)據(jù)持久化，并向Follower發(fā)送同步數(shù)據(jù)的消息。

四、etcd的應(yīng)用場景

4.1. kubernetes大腦

目前，etcd的最典型的應(yīng)用場景就是作為Kubernetes 集群的大腦。

如果把kubernetes比作一個大飯店，那么etcd就是這個飯店的進(jìn)銷存+客戶關(guān)系管理系統(tǒng)。

kubernetes作為容器編排服務(wù)，將面向客戶提供的各種服務(wù)進(jìn)行合理的資源分配，服務(wù)編排。
不可避免地，有一些kubernetes集群的配置和狀態(tài)數(shù)據(jù)，例如 pod 的數(shù)量、它們的狀態(tài)、命名空間等。需要有一個統(tǒng)一的記錄、管理的地方，它就是etcd。

最重要的是：etcd具備watch監(jiān)聽的功能，一旦某個配置或者某個狀態(tài)發(fā)生變更，集群內(nèi)所有的服務(wù)全都可以通過watch監(jiān)聽機(jī)制實(shí)時獲取到消息，進(jìn)而做出進(jìn)一步的響應(yīng)。幾乎etcd的所有應(yīng)用場景，都是基于watch監(jiān)聽機(jī)制產(chǎn)生的，包括我們后面為大家介紹的服務(wù)注冊發(fā)現(xiàn)和訂閱通知。

4.2. 服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn)

其實(shí)kubernetes也利用etcd實(shí)現(xiàn)服務(wù)注冊發(fā)現(xiàn)機(jī)制，但是上面的那張圖不太好說明，我新畫了兩張圖說明etcd在實(shí)現(xiàn)服務(wù)注冊發(fā)現(xiàn)機(jī)制中的作用。

所謂的服務(wù)注冊實(shí)現(xiàn)原理就是：服務(wù)在啟動的時候，向etcd寫入一條配置數(shù)據(jù)，該條配置數(shù)據(jù)說明自己的服務(wù)名稱，服務(wù)ip地址，服務(wù)端口等信息。

所謂的服務(wù)發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)原理舉例：服務(wù)C的某個實(shí)例希望訪問服務(wù)A，服務(wù)C向etcd詢問服務(wù)A的訪問地址，etcd響應(yīng)結(jié)果：服務(wù)A有三個實(shí)例，地址列表如：xxx.xxx.xxx.xxx:端口、yyy.yyy.yyy.yyy:端口，zzz.zzz.zzz.zzz:端口。服務(wù)C不需要訪問三個實(shí)例，訪問其中一個就可以得到結(jié)果，所以它按照自己的負(fù)載均衡算法選了一個，這個就叫做：客戶端負(fù)載均衡。

4.3. 健康檢查與狀態(tài)變更通知

銜接上文：服務(wù)C下一次訪問服務(wù)A的時候，還需要訪問etcd么？答案是不需要，它訪問過一次之后，就會自己維護(hù)一個服務(wù)A訪問地址的列表，除非這個列表發(fā)生變化，否則是不會再次去詢問etcd的。
那么一個服務(wù)怎么知道另一個服務(wù)的列表發(fā)生變化呢？比如：服務(wù)A的實(shí)例注冊狀態(tài)發(fā)生變化。可能是由于某種原因掛掉了，可能是OOM或者是網(wǎng)絡(luò)問題等。

服務(wù)在注冊到etcd之后，會保存一個關(guān)于該服務(wù)的注冊配置信息，該注冊配置信息由一個TTL，etcd同時會與該服務(wù)維持心跳。一旦超過TTL時間，無法得到服務(wù)的心跳響應(yīng)，etcd就認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)的健康狀態(tài)出現(xiàn)了問題，就會將該節(jié)點(diǎn)下線（注冊配置信息刪除）。
服務(wù)在注冊到etcd之后，會保持對etcd狀態(tài)數(shù)據(jù)變更的監(jiān)聽，一旦獲取監(jiān)聽結(jié)果：服務(wù)A的實(shí)例狀態(tài)發(fā)生變更，該服務(wù)就會從etcd重新拉取服務(wù)A的注冊列表。

4.4.分布式鎖

跨進(jìn)程跨系統(tǒng)的多線程操作公共資源，發(fā)生多線程競爭，為了避免線程不安全，需要使用分布式鎖。如果多線程在單個進(jìn)程內(nèi)發(fā)生資源競爭，就是用Lock就可以了，不需要分布式鎖。比如：你在mysql庫里面有一個用戶余額數(shù)據(jù)，多個進(jìn)程內(nèi)的線程同時更改這個值，可能發(fā)生并發(fā)的數(shù)據(jù)覆蓋。為了避免這樣的問題，多個進(jìn)程排排隊，A先來，A釋放了鎖B再來，B釋放了鎖C再來。

舉例：上圖的3個client代表三個服務(wù)，都要操作某個資源數(shù)據(jù)。

在嘗試調(diào)用加鎖API的時候，client1獲取到的revision=1,它優(yōu)先獲得加鎖的資格。加鎖就是加一個帶有revision的配置記錄。其他的所有的服務(wù)，都通過watch機(jī)制監(jiān)聽鎖的釋放。
client在嘗試調(diào)用加鎖API的時候，被分配了revision。并且按照revision進(jìn)行了排序，監(jiān)聽距離自己revision差值最小，而且小于自己的Revision，不會產(chǎn)生驚群效應(yīng)。

4.5.實(shí)現(xiàn)消息隊列(純扯淡)

我覺得使用etcd實(shí)現(xiàn)消息隊列，是一種純扯淡的做法。如果大家有什么異議，歡迎留言！

不是說做不了，確實(shí)寫個demo是可以的。往etcd里面放數(shù)據(jù)，再通過watch機(jī)制進(jìn)行監(jiān)聽，這不就是一個典型的消息隊列么？扯淡！如果我只為了實(shí)現(xiàn)消息數(shù)據(jù)的發(fā)布訂閱，其實(shí)有很多辦法，我還用搭一個etcd集群？Spring的Event機(jī)制，java的響應(yīng)式編程，哪怕自己搞一個BlockQueue呢，是不是都能實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)布訂閱。

我們之所以使用kafka、RocketMQ這樣的消息隊列，肯定是因?yàn)槲覀兊漠惒綌?shù)據(jù)達(dá)到一定的規(guī)模了。達(dá)到規(guī)模的異步消息數(shù)據(jù)傳遞根本就不是etcd的應(yīng)用場景，正如本文開頭所述：別忘了它叫做etc阿就d，它就是一個為分布式系統(tǒng)存儲配置信息的，不是消息中間件。

五、etcd安裝

本文為大家安裝一個可以用于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的etcd單機(jī)版,我們可以用它進(jìn)行實(shí)驗(yàn),后續(xù)我還會寫文章介紹etcd集群的安裝方式.
下載etcd的安裝包,訪問github-etcd,我使用的是linux操作系統(tǒng)64位,所以下載的安裝包是:etcd-v3.5.4-linux-amd64.tar.gz .如果網(wǎng)絡(luò)條件不允許,可以搜索"etcd國內(nèi)下載加速",選擇合適的下載安裝包進(jìn)行安裝即可.

首先將安裝包解壓,解壓之后cd進(jìn)入安裝目錄,將etcd和etcdctl兩個命令copy到/usr/local/bin/目錄下面.

tar zxvf etcd-v3.5.4-linux-amd64.tar.gz;
cd etcd-v3.5.4-linux-amd64;
cp etcd etcdctl /usr/local/bin/;

通過etcd --version命令查看etcd的版本,同時可以驗(yàn)證安裝結(jié)果.如果不想敲全路徑,可以把/usr/local/bin目錄加入系統(tǒng)的PATH環(huán)境變量.

/usr/local/bin/etcd --version

啟動etcd,這里的listen-client-urls和advertise-client-urls配置的作用是允許遠(yuǎn)程連接,0.0.0.0表示監(jiān)聽當(dāng)前服務(wù)器的所有ip, 監(jiān)聽端口是2379. 假如你的服務(wù)器有多塊網(wǎng)卡,多個固定ip,你想指定etcd服務(wù)在某一個ip上提供服務(wù),就可以用這個ip替換0.0.0.0

/usr/local/bin/etcd  --listen-client-urls 'http://0.0.0.0:2379' --advertise-client-urls 'http://0.0.0.0:2379'

etcd啟動之后, 可以通過etcdctl命令向etcd中添加配置,如下所示使用put命令添加一個key=/dir1,value=aaa的鍵值對數(shù)據(jù).可以使用get命令獲取該配置信息.

# /usr/local/bin/etcdctl put /dir1 aaa
OK
# /usr/local/bin/etcdctl get /dir1
/dir1
aaa

六、jetcd的編碼實(shí)現(xiàn)配置管理

下面為大家介紹通過java API的方式操作etcd的數(shù)據(jù),首先通過maven的坐標(biāo)引入jetcd.我使用的版本相對比較舊,最新的版本已經(jīng)是0.7.8,不過我在使用的時候出現(xiàn)了與netty版本不一致的情況,報錯:找不到netty相關(guān)的一些類.所以我就回退到0.3.0版本,使用方式上都是一樣的.

<dependency>
    <groupId>io.etcd</groupId>
    <artifactId>jetcd-core</artifactId>
    <version>0.3.0</version>
</dependency>

下面的代碼是使用jetcd操作etcd的配置數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的寫操作,讀操作,刪除操作.詳細(xì)用法看代碼吧.下面的代碼是Junit 5的單元測試用例的寫法.

import io.etcd.jetcd.ByteSequence;
import io.etcd.jetcd.Client;
import io.etcd.jetcd.KV;
import io.etcd.jetcd.kv.GetResponse;
import io.etcd.jetcd.kv.PutResponse;
import org.junit.jupiter.api.*;

import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

import static junit.framework.TestCase.assertNotNull;

//這個注解配合函數(shù)的Order注解,決定測試用例函數(shù)的執(zhí)行順序
@TestMethodOrder(MethodOrderer.OrderAnnotation.class)
public class EtcdTest {
  private static Client etcdClient;

  @BeforeAll
  static void  init(){
    etcdClient = Client.builder()
             //這里的etcd服務(wù)列表可以寫多個,用逗號分隔
            .endpoints("http://192.168.161.3:2379".split(","))
            .build();
  }

  @Test
  @Order(1)
  @DisplayName("etcd寫配置操作")
  void putKV() throws ExecutionException, InterruptedException {
    KV kv = etcdClient.getKVClient();
    ByteSequence key = ByteSequence.from("key-str", StandardCharsets.UTF_8);
    ByteSequence value = ByteSequence.from("value-str", StandardCharsets.UTF_8);
    //put key-value配置信息
    CompletableFuture<PutResponse> putRsp = kv.put(key,value);
    assertNotNull(putRsp.get().getHeader());
  }


  @Test
  @Order(2)
  @DisplayName("etcd讀配置操作")
  void getKV() throws ExecutionException, InterruptedException {
    KV kv = etcdClient.getKVClient();
    ByteSequence key = ByteSequence.from("key-str", StandardCharsets.UTF_8);
    //通過key獲取值
    CompletableFuture<GetResponse> getRsp = kv.get(key);
    String getBackValue = getRsp.get().getKvs().get(0).getValue().toString(StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println("從etcd通過key獲取value值為：" + getBackValue);
  }


  @Test
  @Order(3)
  @DisplayName("刪除配置操作")
  void deleteKV() {
    KV kv = etcdClient.getKVClient();
    ByteSequence key = ByteSequence.from("key-str", StandardCharsets.UTF_8);
    //通過key刪除數(shù)據(jù)
    kv.delete(key);
  }
}

上面的代碼只介紹了etcd的最基本的key-value操作,其實(shí)etcd客戶端還提供了很多的API,這些都將在我后續(xù)的文章中分布式鎖,服務(wù)注冊發(fā)現(xiàn),配置變更監(jiān)聽,分布式系統(tǒng)Leader選舉的內(nèi)容中為大家介紹.

//租約
Lease lease=etcdClient.getLeaseClient();
//監(jiān)聽
Watch watch =etcdClient.getWatchClient();
//選舉
Election election =etcdClient.getElectionClient();
//鎖
Lock lock=etcdClient.getLockClient();

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posted @ 2022-08-31 11:50 字母哥博客閱讀(2053) 評論(0) 收藏舉報

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