zookeeper的Leader选举过程分析

zookeeper中Leader的选举是保证分布式数据一致性的关键所在，当zookeeper集群中的一台服务器出现以下两种情况之一时，就需要进入Leader选举。

　　(1) 服务器初始化启动。

　　(2) 服务器运行期间无法和Leader保持连接，即leader挂掉了。

先来看第一种情况，就是集群配好了，初始启动的情况，关于zookeeper集群的安装与配置参考“zookeeper的安装与集群配置”。

一、 服务器启动时期的Leader选举

　　若进行Leader选举，则至少需要两台机器，这里选取3台机器组成的服务器集群为例。在集群初始化阶段，当有一台服务器Server1启动时，其单独无法进行和完成Leader选举，当第二台服务器Server2启动时，此时两台机器可以相互通信，每台机器都试图找到Leader，于是进入Leader选举过程。选举过程如下：

　　(1) 每个Server发出一个投票。由于是初始情况，Server1和Server2都会将自己作为Leader服务器来进行投票，每次投票会包含所推举的服务器的myid(每个zookeeper节点都会有一个myid文件，这在安装zookeeper的时候已经确定)和ZXID（zookeeper的事务id），使用(myid, ZXID)来表示，此时Server1的投票为(1, 0)，Server2的投票为(2, 0)，然后各自将这个投票发给集群中其他机器。

　　(2) 接受来自各个服务器的投票。集群的每个服务器收到投票后，首先判断该投票的有效性，如检查是否是本轮投票、是否来自LOOKING状态（LOOKING，竞选状态。FOLLOWING，随从状态，同步leader状态，参与投票。OBSERVING，观察状态,同步leader状态，不参与投票。LEADING，领导者状态。）的服务器。

　　(3) 处理投票。针对每一个投票，服务器都需要将别人的投票和自己的投票进行PK，PK规则如下：

优先检查ZXID。ZXID比较大的服务器优先作为Leader。
如果ZXID相同，那么就比较myid。myid较大的服务器作为Leader服务器。

　　对于Server1而言，它的投票是(1, 0)，接收Server2的投票为(2, 0)，首先会比较两者的ZXID，均为0，再比较myid，此时Server2的myid最大，于是更新自己的投票为(2, 0)，然后重新投票，对于Server2而言，其无须更新自己的投票，只是再次向集群中所有机器发出上一次投票信息即可。

　　(4) 统计投票。每次投票后，服务器都会统计投票信息，判断是否已经有过半机器接受到相同的投票信息，对于Server1、Server2而言，都统计出集群中已经有两台机器接受了(2, 0)的投票信息，此时便认为已经选出了Leader。

　　(5) 改变服务器状态。一旦确定了Leader，每个服务器就会更新自己的状态，如果是Follower，那么就变更为FOLLOWING，如果是Leader，就变更为LEADING。

二、服务器运行时期的Leader选举

        在Zookeeper运行期间，Leader与非Leader服务器各司其职，即便当有非Leader服务器宕机或新加入，此时也不会影响Leader，但是一旦Leader服务器挂了，那么整个集群将暂停对外服务，进入新一轮Leader选举，其过程和启动时期的Leader选举过程基本一致。假设正在运行的有Server1、Server2、Server3三台服务器，当前Leader是Server2，若某一时刻Leader挂了，此时便开始Leader选举。选举过程如下:

　　(1) 变更状态。Leader挂后，余下的非Observer服务器都会讲自己的服务器状态变更为LOOKING，然后开始进入Leader选举过程。

　　(2) 每个Server会发出一个投票。在运行期间，每个服务器上的ZXID可能不同，此时假定Server1的ZXID为123，Server3的ZXID为122；在第一轮投票中，Server1和Server3都会投自己，产生投票(1, 123)，(3, 122)，然后各自将投票发送给集群中所有机器。

　　(3) 接收来自各个服务器的投票。与启动时过程相同。

　　(4) 处理投票。与启动时过程相同，按照pk规则，此时Server1将会成为Leader。

　　(5) 统计投票。与启动时过程相同。

　　(6) 改变服务器的状态。与启动时过程相同。

Leader选举算法分析

　　在3.4.0后的Zookeeper的版本只保留了TCP版本的FastLeaderElection选举算法。当一台机器进入Leader选举时，当前集群可能会处于以下两种状态

　　　　· 集群中已经存在Leader。

　　　　· 集群中不存在Leader。

　　对于集群中已经存在Leader而言，此种情况一般都是某台机器启动得较晚，在其启动之前，集群已经在正常工作，对这种情况，该机器试图去选举Leader时，会被告知当前服务器的Leader信息，对于该机器而言，仅仅需要和Leader机器建立起连接，并进行状态同步即可。而在集群中不存在Leader情况下则会相对复杂，其步骤如下：

　　(1) 第一次投票。无论哪种导致进行Leader选举，集群的所有机器都处于试图选举出一个Leader的状态，即LOOKING状态，LOOKING机器会向所有其他机器发送消息，该消息称为投票。投票中包含了SID（服务器的唯一标识）和ZXID（事务ID），(SID, ZXID)形式来标识一次投票信息。假定Zookeeper由5台机器组成，SID分别为1、2、3、4、5，ZXID分别为9、9、9、8、8，并且此时SID为2的机器是Leader机器，某一时刻，1、2所在机器出现故障，因此集群开始进行Leader选举。在第一次投票时，每台机器都会将自己作为投票对象，于是SID为3、4、5的机器投票情况分别为(3, 9)，(4, 8)， (5, 8)。

　　(2) 变更投票。每台机器发出投票后，也会收到其他机器的投票，每台机器会根据一定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，这个规则也是整个Leader选举算法的核心所在，其中术语描述如下:

　　　　· vote_sid：接收到的投票中所推举Leader服务器的SID。

　　　　· vote_zxid：接收到的投票中所推举Leader服务器的ZXID。

　　　　· self_sid：当前服务器自己的SID。

　　　　· self_zxid：当前服务器自己的ZXID。

　　每次对收到的投票的处理，都是对(vote_sid, vote_zxid)和(self_sid, self_zxid)对比的过程。

　　　　规则一：如果vote_zxid大于self_zxid，就认可当前收到的投票，并再次将该投票发送出去。

　　　　规则二：如果vote_zxid小于self_zxid，那么坚持自己的投票，不做任何变更。

　　　　规则三：如果vote_zxid等于self_zxid，那么就对比两者的SID，如果vote_sid大于self_sid，那么就认可当前收到的投票，并再次将该投票发送出去。

　　　　规则四：如果vote_zxid等于self_zxid，并且vote_sid小于self_sid，那么坚持自己的投票，不做任何变更。

　　结合上面规则，本例可以用给下图来表示集群变更过程:

　　(3) 确定Leader。经过第二轮投票后，集群中的每台机器都会再次接收到其他机器的投票，然后开始统计投票，如果一台机器超过半数的相同投票，那么这个投票对应的SID机器即为Leader。此时Server3将成为Leader。

　　由上面规则可知，通常那台服务器上的数据越新（即ZXID会越大），其成为Leader的可能性越大，也就越能够保证数据的恢复。如果ZXID相同，则SID越大机会越大。