ZooKeeper系列(6)：ZooKeeper的伸缩性和Observer角色

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1.ZooKeeper中的角色

在比较老的ZooKeeper版本中，只有两种角色：leader和follower。后来引入了一种新角色Observer，Observer角色除了不能投票(以及和投票相关的能力)外，其它和follower功能一样。

所以，在ZooKeeper中：

• 投票角色：leader、follower。
  
• 无票角色：observer。

2.ZooKeeper如何处理请求？

ZooKeeper集群中的每个server都能为客户端提供读、写服务。

对于客户端的读请求，server会直接从它本地的内存数据库中取出数据返回给客户端，这个过程不涉及其它任何操作，也不会联系leader。

对于客户端的写请求，因为写操作会修改znode的数据、状态，所以必须要在ZooKeeper集群中进行协调。处理过程如下：

1. 收到写请求的那个server，首先将写请求发送给leader。
   
2. leader收到来自follower(或observer)的写请求后，首先计算这次写操作之后的状态，然后将这个写请求转换成带有各种状态的事务(如版本号、zxid等等)。
   
3. leader将这个事务以提议的方式广播出去(即发送proposal)。
   
4. 所有follower收到proposal后，对这个提议进行投票，投票完成后返回ack给leader。follower的投票只有两种方式：(1)确认这次提议表示同意；(2)丢弃这次提议表示不同意。
   
5. leader收集投票结果，只要投票数量达到了大多数的要求(例如，5个节点的集群，3个或3个以上的节点才算大多数)，这次提议就通过。
   
6. 提议通过后，leader向所有server发送一个提交通知。
   
7. 所有节点将这次事务写入事务日志，并进行提交。
   
8. 提交后，收到写请求的那个server向客户端返回成功信息。

下面是ZooKeeper集群处理写请求过程的一个简图：

当ZooKeeper集群中follower的数量很多时，投票过程会成为一个性能瓶颈，为了解决投票造成的压力，于是出现了observer角色。

observer角色不参与投票，它只是投票结果的"听众"，除此之外，它和follower完全一样，例如能接受读、写请求。就这一个特点，让整个ZooKeeper集群性能大大改善。

和follower一样，当observer收到客户端的读请求时，会直接从内存数据库中取出数据返回给客户端。

对于写请求，当写请求发送到某server上后，无论这个节点是follower还是observer，都会将它发送给leader。然后leader组织投票过程，所有server都收到这个proposal(包括observer，因为proposal是广播出去的)，但是leader和follower以及observer通过配置文件，都知道自己是不是observer以及谁是observer。自己是observer的server不参与投票。当leader收集完投票后，将那些observer的server去掉，在剩下的server中计算大多数，如果投票结果达到了大多数，这次写事务就成功，于是leader通知所有的节点(包括observer)，让它们将事务写入事务日志，并提交。

3.Observer的优点

observer角色除了减轻了投票的压力，还带来了几个额外的优点。

1.提高了伸缩性。

伸缩性指的是通过添加服务器来负载请求，从而提高整个集群处理请求的能力。也就是"一头牛拉不动了，找更多牛来拉"。

在出现Observer之前，ZooKeeper集群的伸缩性由follower来实现。虽然对于读写操作来说，follower是"无状态"的，这使得添加新的follower到集群(或者从集群中减少follower)很方便，能提高ZooKeeper集群负载能力。但是，对于投票来说，follower是有状态的，增、减follower的数量，都直接影响投票结果，特别是follower的数量越多，投票过程的性能就越差。

而observer无论是读写请求还是投票，都是无状态的，增、减observer的数量不会影响投票结果。这样就可以让一部分server作为follower参与投票，另一部分作为observer单纯地提供读写服务。这使得ZooKeeper的伸缩性大大提高。

2.部署跨地区的ZooKeeper数据中心更方便。

observer能直接从本地内存数据库中取出数据来响应读请求，所以提高了读的吞吐量。对于写请求，虽然它要发送给leader并接受leader的通知，但相比于投票过程中传递的信息，它的数据量很小，所以即使在广域网也能有很好的性能。

实际上，很多跨机房、跨地区的数据中心就是通过observer来实现的。

4.如何配置Observer？

要配置observer，只需稍微修改一下配置文件即可。

首先，在想要成为observer的配置文件中，加上下面一行：

peerType=observer

这表示这个server以observer角色运行，即不参与投票。

再在所有 server的配置文件中，修改server.X配置项，在那些observer的节点上加上:observer后缀。

例如，server.1对应的server要作为observer：

server.1=IP:2181:3181:observer

这样配置后，ZooKeeper集群中的所有服务器节点都知道哪些节点扮演的是observer角色。