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当客户端与 ZooKeeper 服务端建立连接时，服务端会为客户端创建一个会话。每个会话都有一个唯一的会话 ID，并且会分配一个会话超时时间。这个超时时间由客户端在连接时指定，服务端会根据自身的配置对其进行调整，以确保在合理范围内。

一、会话超时机制

客户端在连接ZooKeeper集群时，会协商一个会话超时时间（Session Timeout）。这是服务端允许客户端“无通信”的最长时间。

服务端依赖心跳判断会话存活：如果服务端在超时时间内未收到客户端的心跳或任何请求，会判定会话过期并删除临时节点等资源。

1.1、会话生命周期

ZooKeeper 会话从客户端连接到服务端时创建，经历以下阶段：

• 创建：客户端通过 ZooKeeper.connect() 建立连接，协商会话超时时间（Session Timeout）。
• 活跃：客户端通过心跳或操作维持会话存活。
• 断开：网络故障或客户端主动断开，会话进入短暂Disconnected状态（未超时前仍有效）。
• 过期：服务端在超时时间内未收到心跳，标记会话为Expired，触发资源清理。
• 关闭：客户端显式关闭连接或会话超时后，会话终止。

1.2、会话超时协商

• 客户端提议超时时间：连接时，客户端可指定 sessionTimeout（单位：ms）。
• 服务端动态调整：服务端会基于配置的 minSessionTimeout 和 maxSessionTimeout 修正客户端提议的值。最终超时时间取三者之间的有效范围（默认：min=2*tickTime, max=20*tickTime，通常 tickTime=2s）。

1.3、会话状态管理

会话状态由服务端维护，客户端通过 Watcher 感知变化：

• SyncConnected：正常连接状态，心跳和操作正常。
• Disconnected：网络临时中断，客户端可能尝试重连。
• Expired：服务端判定会话超时，触发以下行为：
  • 删除该会话创建的所有临时节点（Ephemeral Nodes）。
  • 关闭与会话关联的 Watcher。
  • 拒绝客户端后续操作（需重新创建会话）。
• AuthFailed：认证失败后的不可恢复状态。

1.4、会话恢复与容错

客户端重连：

• 在会话超时前，客户端可自动或手动重连到集群中的任意节点。
• 重连后会话状态恢复为 SyncConnected，临时节点保留。

服务端容错：

• Leader 故障时，ZAB 协议在崩溃恢复阶段同步会话状态到新 Leader。
• 会话元数据（如超时时间、临时节点列表）存储在集群内存中，保证一致性。

1.5、临时节点与会话绑定

临时节点的生命周期：

• 客户端创建临时节点（如 create -e /node data）后，节点与会话绑定。
• 会话过期时，服务端自动删除所有关联临时节点。

应用场景：

• 实现分布式锁（会话持有锁，超时自动释放）。
• 服务注册与发现（服务实例下线时自动注销节点）。

1.6、服务端更多实现细节

1、服务端通过SessionTracker组件，管理所有会话的超时队列，按桶分组（下文讲解），定期扫描超时会话，标记为Expired.

2、每个会话的操作都分配有ZXID，保证操作顺序性。

3、会话数据通过ZAB协议广播，确保数据一致性。

二、客户端心跳维持机制

ZooKeeper客户端会通过定期发送心跳（PING消息）来维持与服务端的会话连接。

ZooKeeper客户端通过以下两种方式维持心跳：

• 显式心跳（PING消息）：
  • 当客户端空闲（无读写请求）时，会主动定期发送PING消息。
  • 心跳间隔通常为会话超时的1/3（例如，若超时设为30秒，则每10秒发送一次心跳）。这种设计允许最多两次心跳丢失的容错。
• 隐式心跳（普通操作）：
  • 客户端的任何操作（如getData、create等）都会刷新会话的活动时间，等同于心跳。因此，高频操作下无需额外PING。

开发者无需手动编码：ZooKeeper的客户端库（如Java的Curator或原生API）会自动处理心跳逻辑，开发者只需配置会话超时参数。

网络中断处理：若客户端检测到连接断开，会尝试重连并继续发送心跳。只有在整个超时期间无法恢复连接时，会话才会终止。

会话状态监听：客户端可以注册Watcher监听会话事件（如SyncConnected、Disconnected、Expired），以便在连接状态变化时采取相应措施（如重连或资源清理）。

ZooKeeper客户端并非“一直”发送心跳，而是根据会话超时时间和活动状态智能调度：

• 空闲时定期发送PING（频率≈超时时间/3）。
• 有操作时通过请求隐含心跳。
• 客户端库自动处理细节，确保会话在超时窗口内保持活跃。

这种机制在保证会话存活的同时，最小化不必要的网络开销。

三、分桶策略管理会话

ZooKeeper 使用分桶策略来管理会话。它将会话按照其超时时间划分到不同的 “桶” 中，每个桶代表一个特定的时间范围。例如，可能会有一个桶包含超时时间在 1 - 10 秒的会话，另一个桶包含超时时间在 11 - 20 秒的会话，以此类推。

通过分桶，服务端可以更高效地检查会话是否超时。服务端只需要定期检查每个桶的过期时间，而不需要对每个会话进行单独的检查，这样可以减少检查的时间复杂度，提高系统性能。当一个桶的过期时间到达时，服务端会检查该桶内的所有会话，如果发现某个会话已经超时，就会将其标记为失效。

分桶策略的作用：

• 提高效率：如前面所述，分桶策略减少了会话超时检查的时间复杂度。如果不使用分桶策略，服务端需要对每个会话的最后活跃时间进行逐一比较，随着会话数量的增加，这种检查方式会变得非常耗时。而分桶策略通过批量检查的方式，大大提高了检查效率。
• 优化资源利用：分桶策略有助于更合理地管理系统资源。服务端可以根据不同桶的情况，合理分配资源来处理会话超时检查和其他相关操作，避免资源的浪费。

四、开发时的配置与调优建议

• 合理设置超时时间：
  • 过短：频繁会话过期，导致临时节点意外删除。
  • 过长：故障检测延迟，资源释放不及时。
  • 推荐值：通常设为 2-20s，根据网络延迟调整。
• 处理 Session Expired：
  • 客户端需监听 Expired 事件，重新初始化连接并重建临时节点。
• 避免长时间阻塞客户端线程：
  • 客户端心跳发送依赖线程调度，若主线程长时间阻塞（如死循环），可能导致心跳停止，触发会话过期。