ZooKeeper保证之单一视图（Single System Image）
由于ZooKeeper的数据模型简单且全部在内存中，ZooKeeper的速度非常快。它提供了一系列保证（Guarantees）：
- 顺序一致性（Sequential Consistency）
- 原子性（Atomicity）
- 单一视图（Single System Image）
- 可靠性（Reliability ）
- 实时性（Timeliness ）
一、ZooKeeper单一视图定义
单一视图（Single System Image）是指同一个客户端无论连接到集群中的哪台机器上，都将会看到服务的同一视图。即：同一客户端无论什么时候连接到哪个服务器上，都不会看到比自己之前看到的数据更早版本的数据。单一视图保证是由ZooKeeper客户端与服务端建立连接请求时的一些校验操作实现的，具体如何实现？需要介绍下客户端到服务端连接建立的过程。
二、客户端到服务端连接建立以及请求处理流程
客户端到服务端建立连接流程基本如下：- 客户端通过服务器连接字符串、timeout等参数，创建客户端实例，启动客户端相关处理线程
- 客户端与服务端之间创建socket连接
- 客户端向服务端发送连接建立请求
- 服务端接收到连接建立请求后，会验证是否合法，决定是否建立连接
- 如果连接合法，那么将与客户端之间建立起连接，并开始请求处理流程
- 如果连接不合法，那么将拒绝连接，客户端将会寻找集群中的其他服务器，尝试建立连接
上述描述的流程如下图所示：
初始化
当创建ZooKeeper客户端实例（new ZooKeeper）的时候，会初始化客户端的一些设置：除了设置watcher、host提供器（HostProvider）之外，还会创建 ClientCnxn实例。/**
* TIPS：ClientCnxn类功能介绍
* ClientCnxn类主要负责客户端的socket I/O功能，同时还提供了一个透明的到连接可用服务器的理由功能
* TIPS：host提供器（HostProvider）
* 这里介绍的客户端是ZooKeeper提供的原生客户端，其他客户端暂时不做分析。host提供器默认为StaticHostProvider，当连接新的服务器时，采用的是轮询列表中下一个服务器的方案
*/
ClientCnxn初始化的时候启动两个线程：消息收发线程SendThread和事件处理线程EventThread。
- 消息收发线程：处理消息发送、消息接收以及心跳处理
- 事件处理线程：主要处理节点相关事件以及连接状态事件
* TIPS：节点相关事件包括
* 节点创建（NodeCreated）、节点删除（NodeDeleted）、节点数据更新（NodeDataChanged）、子节点变化（NodeChildrenChanged，包括子节点的创建和删除）
*/
这里主要涉及到消息收发线程。消息收发线程 SendThread启动后，会判断与服务器之间是否有连接，如果没有，则会根据host提供器选择集群中的一台服务器建立socket连接，同时发送建立连接的请求。以下将以 NIO通信（ZooKeeper3.4.0版本开始提供netty通信方式）为例。
客户端连接建立过程
在ClientCnxn类中的SendThread线程里，当检测与服务器之间没有建立的socket连接时，会通过ClientCnxnSocket创建连接（clientCnxnSocket.connect(addr)，NIO通信通过ClientCnxnSocketNIO类完成），主要完成以下步骤：
- 创建与服务端的socket连接
- 注册selector，并发送建立连接请求到服务端
在注册selector和建立连接的过程中，会通过消息收发线程 SendThread的primeConnection方法发送连接请求，发送连接建立请求具体如下源码所示：
在 ClientCnxn.SendThread类中，创建连接请求包，这个包里将会包含客户端上次收到服务端反馈的事务id：zxid信息（客户端每次请求响应，服务端都会将最新的事务id作为消息头发送给客户端）。消息收发线程会通过建立的socket将该请求发送到服务端。
/**
* TIPS：事务id - zxid
* ZooKeeper事务都需要由leader节点处理，每个事务都有一个唯一的标识号，称之为事务id，记做zxid
* 表示：ZooKeeper使用64位long型整数来表示zxid
* 含义：前32位为epoch（此处翻译为时代，每发生一轮选举，epoch增一，因此可以认为一个leader当选的代表）；后32位为当前leader处理事务的一个递增序列号
* 深层含义：zxid为递增序列，因此zxid可以代表当前ZooKeeper服务器上的数据版本：zxid越大代表数据版本越新
*/
建立连接请求包信息具体如下所示：
服务端连接建立过程
在ZooKeeper服务端，NIO通信接收连接请求的类为NIOServerCnxn。服务端接收到连接请求后，会通过ZooKeeperServer类的processConnectRequest来单独处理连接建立的请求。服务端读取连接请求过程具体如下：
在ZooKeeperServer类的processConnectRequest方法中，主要分为以下几步：
- 解析请求包数据
- 获取该客户端之前收到的zxid信息
- 验证客户端当前看到的数据版本信息是否比服务器的数据版本新，如果客户端当前看到的数据版本比较新，那么服务器将直接拒绝连接建立请求
服务端处理连接请求，验证数据版本zxid信息的过程具体如下：
请求处理过程
- 服务端：每次服务器端处理客户端的请求，FinalRequestProcessor都会将当前服务器处理的最新的zxid放在响应头中返回。具体响应构建如下：
- 客户端：客户端收发线程接收到服务端的响应后，解析结果中的zxid，更新自己的lastZxid值信息，readResponse方法中处理如下：
三、单一视图保证
从上面的源码分析可知：当客户端正常连接集群中的一台服务器时，每次请求响应都会返回所连接的服务器上所处理的最新的事务id并进行记录。当客户端由于各种原因导致与服务器之间断连时，客户端将会以自己看到代表数据版本信息的zxid一起发送给服务端，请求建立连接。服务端在收到连接建立请求时，会进行判断：自己的数据版本没有客户端之前看到的数据版本新，服务端将会拒绝连接建立。从而保证 客户端不会连接到数据版本比自己之前看到的旧的服务器上，因此不会请求到老版本的数据，从而保证了单一视图特性。下面通过一个简单示例，来说明整个过程，如下图所示：
假设：集群中有三台服务器A/B/C，A为leader，其余两台为follower。
/**
* TIPS：ZooKeeper服务器角色说明
* Leader：领导者，是ZooKeeper集群的核心，负责集群各角色之间的协调和调度、事务请求的调度和处理，保证事务的顺序性以及数据一致性
* Follower：追随者，可独立处理非事务请求，转发事务请求给Leader，参与事务的投票以及Leader选举投票
* Observer：观察者，可独立处理非事务请求，转发事务请求给Leader，但是不参与各种投票，可提高整个集群的非事务请求处理能力
* 其中，Follower和Observer称之为Learner
*/
某一时刻，服务器A与C数据一致，zxid均为5，服务器B的zxid为4。当出现以下情况时，客户端与服务端的处理过程：
- 客户端client此时连接到服务器C，并且最后一个请求响应返回的zxid为5，client保存到lastZxid中
- 由于client与服务器C之间存在网络问题导致client与C之间断连。client开始重新与集群建立连接
- client随机到服务器B，开始与B建立连接
- 发送的连接建立请求中，携带lastZxid为5
- 服务器B接收到client的连接建立请求，判断自己的zxid与client传过来的lastZxid信息。发现客户端所看到的数据版本要比自己新（lastZxid > zxid），因此拒绝了client的建立连接的请求
- client与服务器B建立连接失败，开始新一轮尝试，向服务器A发送建立连接请求
- 服务器A同样去对比zxid以及客户端的lastZxid信息，发现版本一致，允许连接建立。至此，client与集群中的服务器A建立了新的连接。可以开始请求的发送与处理过程
四、参考资料
1、zookeeper整体概述：http://zookeeper.apache.org/doc/current/zookeeperOver.html2、Observer角色说明：https://zookeeper.apache.org/doc/r3.3.3/zookeeperObservers.html