Zookeeper01——Zookeeper及其基本原理

本文开始将为各位带来 Zookeeper 方面的知识，由于个人计划原因，最近这几天写的知识点会很杂。但是仍会保证系列文章内的顺序性。关注我的公众号「Java面典」，每天 10：24 和你一起了解更多 Java 相关知识点。

什么是 Zookeeper

Zookeeper 是一个分布式协调服务。Zookeeper 提供了一个类似于 Linux 文件系统的树形结构（可认为是轻量级的内存文件系统，但只适合存少量信息，完全不适合存储大量文件或者大文件），同时提供了对于每个节点的监控与通知机制。可用于服务发现，分布式锁，分布式领导选举，配置管理等。

Zookeeper 角色

Zookeeper 集群是一个基于主从复制的高可用集群，每个服务器承担如下三种角色中的一种：

Zookeeper角色模型图.png

Leader

1. 一个 Zookeeper 集群同一时间只会有一个实际工作的 Leader，它会发起并维护与各 Follwer 及 Observer 间的心跳；
2. 所有的写操作必须要通过 Leader 完成再由 Leader 将写操作广播给其它服务器。只要有超过半数节点（不包括 observeer 节点）写入成功，该写请求就会被提交（类 2PC 协议）。

Follower

1. 一个 Zookeeper 集群可能同时存在多个 Follower，它会响应 Leader 的心跳；
2. Follower 可直接处理并返回客户端的读请求，同时会将写请求转发给 Leader 处理；
3. 并且负责在 Leader 处理写请求时对请求进行投票。

Observer

Zookeeper 需保证高可用和强一致性，为了支持更多的客户端，需要增加更多 Server；Server 增多，投票阶段延迟增大，影响性能，所以引入了 Observer，Observer 不参与投票。

1. 角色与 Follower 类似，但是无投票权；
2. Observers 接受客户端的连接，并将写请求转发给 leader 节点。

工作原理

1. Zookeeper 的核心是原子广播，这个机制保证了各个 Server 之间的同步。实现这个机制的协议叫做 Zab 协议。Zab 协议有两种模式，它们分别是恢复模式和广播模式；
2. 当服务启动或者在 Leader 崩溃后，Zab 就进入了恢复模式，当新的 Leader 被选举出来，且大多数的 Server 完成了和 Leader 的状态同步以后，恢复模式就结束了（状态同步保证了 Leader 和 Server 具有相同的系统状态）；
3. 一旦 Leader 已经和多数的 Follower 进行了状态同步后，他就可以开始广播消息了，即进入广播状态。这时候当一个 Server 加入 Zookeeper 服务中，它会在恢复模式下启动，发现 Leader，并和 Leader 进行状态同步。待到同步结束，它也参与消息广播。Zookeeper 服务一直维持在 Broadcast 状态，直到 Leader 崩溃了或者 Leader 失去了大部分的 Follower 支持；
4. 广播模式需要保证 proposal 被按顺序处理，因此 Zookeeper 采用了递增的事务 id 号(zxid)来保证。所有的提议(proposal)都在被提出的时候加上了 zxid；
5. 实现中 zxid 是一个 64 为的数字，它高 32 位是 epoch 用来标识 Leader 关系是否改变，每次一个 Leader 被选出来，它都会有一个新的 epoch。低 32 位是个递增计数；
6. 当 Leader 崩溃或者 Leader 失去大多数的 Follower，这时候 Zookeeper 进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的 Leader，让所有的 Server 都恢复到一个正确的状态。