在ZooKeeper中,提供了三种Leader选举的算法,分别是LeaderElection、UDP版本的FastLeaderElection和TCP版本的FastLeaderElection,可以通过在配置文件zoo.cfg中使用electionAlg属性来指定,分别使用数字0~3来表示。0代表LeaderElection,这是一种纯UDP实现的Leader选举算法:1代表UDP版本的FastLeaderElection,并且是非授权模式;2也代表UDP版本的FastLeaderElection,但使用授权模式;3代表TCP版本的FastLeaderElection。值得一提的是,从3.4.0版本开始,ZooKeeper废弃了0、1、2这三种Leader选举算法,只保留了TCP版本的FastLeaderElection选举算法。下文即仅对此算法进行介绍。
SID是一个数字,用来标识一台ZooKeeper集群中的机器,每台机器不能重复,和myid的值一致。
- ZXID是一个事务ID,用来唯一标识一次服务器状态的变更。在某一个时刻,集群中每台机器的ZXID值不一定全都一致,这和ZooKeeper服务器对于客户端“更新请求”的处理逻辑有关。
Leader选举,顾名思义必须通过投票来实现。当集群中的机器发现自己无法检测到Leader机器的时候,就会开始尝试进行投票。
这是整个Leader选举算法中最重要的一个术语,我们可以把这个术语理解为是一个量词,指的是ZooKeeper集群中过半的机器数,如果集群中总的机器数是n的话,那么可以通过下面这个公式来计算quorum的值:
quorum = (n/2 + 1)
例如,如果集群机器总数是3,那么quorum就是2。
当ZooKeeper集群中的一台服务器出现以下两种情况之一时,就会开始进入Leader选举。
而当一台机器进入Leader选举流程时,当前集群也可能会处于以下两种状态。
我们首先来看第一种已经存在Leader的情况。这种情况通常是集群中的某一台机器启动比较晚,在他启动之前,集群已经可以正常工作,即已经存在了一台Leader服务器。针对这种情况,当该机器试图去选举Leader的时候,会被告知当前服务器的Leader信息,对于该机器来说,仅仅需要和Leader机器建立连接,并进行状态同步即可。
下面我们重点来看在集群中Leader不存在的情况下,如何进行Leader选举。
通常有两种情况会导致集群中不存在Leader,一种情况是在整个服务器刚刚初始化启动时,此时尚未产生一台Leader服务器;另一种情况就是在运行期间当前Leader所在的服务器挂了。无论是哪种情况,此时集群中的所有机器都处于一种试图选举出一个Leader状态,我们把这种状态称为“LOOKING”,意思是说正在寻找Leader。当一台服务器处于LOOKING状态的时候,那么他就会向集群中所有其他机器发送消息,我们称这个消息为“投票”。
在这个投票消息中包含了两个最基本的信息:所推举的服务器的SID和ZXID,分别表示了被推举服务器的唯一标识和事务ID。下文中我们将以“(SID, ZXID)”这样的形式来标识一次投票信息。举例来说,如果当前服务器要推举SID为1、ZXID为8的服务器成为Leader,那么他的这次投票信息可以表示为(1, 9)。
我们假设ZooKeeper由5台机器组成,SID分别为1、2、3、4和5,ZXID分别为9、9、9、8和8,并且此时SID为2的机器是Leader服务器。某一时刻,1和2所在的机器出现故障,因此集群开始进行Leader选举。
在第一次投票的时候,由于还无法检测到集群中其他机器的状态信息,因此每台机器都是将自己作为被推举的对象来进行投票。于是SID为3、4和5的机器,投票情况分别为:(3, 9)、 (4, 8)和(5, 8)。
集群中的每台机器发出自己的投票后,也会接收到来自集群中其他机器的投票。每台机器都会根据一定的规则,来处理收到的其他机器的投票,并以此来决定是否需要变更自己的投票。这个规则也成为了整个Leader选举算法的核心所在。为了便于描述,我们首先定义一些术语。
每次对于收到的投票的处理,都是一个对(vote_sid, vote_zxid)和(self_sid, self_zxid)对比的过程。
根据上面这个规则,我们结合下图来分析上面提到的5台机器组成的ZooKeeper集群的投票变更过程。
每台机器都把投票发出后,同时也会接收到来自另外两台机器的投票。
经过这第二次投票后,集群中的每台机器都会再次受到其他机器的投票,然后开始统计投票,如果一台机器收到了超过半数的相同的投票,那么这个投票对应的SID机器即为Leader。
如上图所示的Leader选举例子中,因为ZooKeeper集群的总机器数为5台,那么
quorum = (5/2 + 1) = 3
也就是说,只要收到3个或3个以上(含当前服务器自身在内)一致的投票即可。在这里,Server3、Server4和Server5都投票(3, 9),因此确定了Server3为Leader。
简单的说,通常哪台服务器上的数据越新,那么越有可能成为Leader,原因很简单,数据越新,那么他的ZXID也就越大,也就越能够保证数据的恢复。当然,如果集群中有几个服务器具有相同的ZXID,那么SID较大的那台服务器成为Leader。