zookeeper选举机制详解
目录
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- 1.什么是ZAB协议
- 2.ZAB协议定义的四种节点状态
- 3.集群上线时的Leader选举过程
- 4.崩溃恢复时的Leader选举
- 5.主从服务器之间的数据同步
- 6.CAP 定理
- 7.CAP 权衡
- 8.BASE 理论
- 9.集群节点数量最好奇数
- 10.Zookeeper中的NIO与BIO的应⽤
文章部分知识来源千峰教育讲解的zookeeper当中！
1.什么是ZAB协议
zookeeper作为⾮常重要的分布式协调组件，需要进⾏集群部署，集群中会以⼀主多从的形式进⾏部署。zookeeper为了保证数据的⼀致性，使⽤了ZAB（Zookeeper Atomic Broadcast）协议，这个协议解决了Zookeeper的崩溃恢复和主从数据同步的问题。
下图就是zk集群的结构，主节点主要负责节点的写，也能负责读，其他从节点只有读的权限。虽然从节点不负责写数据，但是他永远会在自己的内存当中保持一份和主节点一模一样的数据！假如主节点更新了数据，他会立马将数据同步到子节点。同步子节点的目的就是要防备主节点挂掉的准备，然后可以无缝切换主节点，也就是上面所说的崩溃恢复。
2.ZAB协议定义的四种节点状态
- Looking ：选举状态。
- Following ：Follower 节点（从节点）所处的状态。
- Leading ：Leader 节点（主节点）所处状态。
- Observing：观察者节点所处的状态
3.集群上线时的Leader选举过程
Linux搭建Zookeeper伪集群详解：https://blog.csdn.net/weixin_43888891/article/details/125474995
选举为主节点的条件：
以上面四台服务节点为例，其中有一台状态为Observing是不参与选举的，也就是三台需要参与选举。
当超过一半票数的节点就能成为主节点，3台节点进行选举，也就意味着只要任意一个节点有两票就可以成为主节点。
zk怎么知道有几个节点的？
既然要求票数过半，那他怎么知道有几台节点的呢？搭建过集群的应该知道，搭建集群的时候需要在每个节点的zoo.cfg配置文件配置每个服务器的地址，这样不管哪个服务节点，都能知道当前集群一共有几台服务节点！
以下是集群下每个节点都需要配置的zoo.cfg文件：
3台节点参与竞争，那实际上几台参与选票呢？
实际上也就两台参与投票，因为就算有3台服务节点，他启动也是有先后顺序的，只有前两个启动的服务节点能够参与投票，记住这里是参与投票，而并不是参与竞争，实际上3台都有竞争机会，但是票数过半就成主节点了，也就是两票就确定主节点了，所以前两台参与投票即可，后一台既不参与投票也不可能成为主节点！
针对于这一点我亲自做了试验，当三台节点的时候，启动两台的时候已经触发选举机制，当第三台还没启动的时候，已经选好主节点了。第三台启动后，要想再次触发选举机制，除非有一台服务挂掉！
投票的依据：
会根据myid和zXid大小进行投票选举，选择出一个主节点！
- myid：就是创建的myid文件当中的值
- zXid：事务id，就是只要在这个服务下做的增删改操作，查不算，每操作一次，那么zxid就会+1
投票流程详解：
通过上面了解到，三台参与选举，由于票数过半就可以成为主节点，所以在第三台服务器还没启动的时候主节点就已经诞生了。而两个节点在进行投票的时候一共需要进行两轮投票：
第一轮投票：
- 两个节点各自生成各自的选票，选票就是myid和zXid
- 把票都互相交给对方（说白了就是我把我的情况告诉你，你把你的情况告诉我，咱俩公平点，选出一个能胜任的来当老大）
- 两个节点各自选出zxid/myid最大的，放到投票箱当中
第二轮投票：
- 把手上较大票交换给对方
- 这时候再进行投票，选择zxid/myid最大的 投到箱子中
通过两轮的选票后，2号节点成功上任主节点！之所以要通过两轮就是为了确保选举的可靠性！
4.崩溃恢复时的Leader选举
Leader建⽴完后，Leader周期性地不断向Follower发送⼼跳（ping命令，没有内容的socket）。当Leader崩溃后，Follower发现socket通道已关闭，于是Follower开始进⼊到Looking状态，重新回到上⼀节中的Leader选举过程，此时集群不能对外提供服务。
5.主从服务器之间的数据同步
- 向zk写数据的时候
- 先写到主节点的持久化数据文件当中，写完的时候返回一个ACK。
- 主节点收到ACK后，开始将数据发送给从节点。
- 从节点收到数据后开始写到本地数据文件当中。
- 从节点持久化完数据之后，返回ACK给主节点（通知主节点写完了）。
- 主节点在收到半数以后的ACK后向从节点发送提交。
- 这时候主节点和从节点再把数据同步到内存当中。
为什么要进行选举，而不是随便拿一个节点当主节点！
之所以选举，就是为了选择出一个数据比较新的来当主节点，一般事务id比较大，那自然他的数据要比较新。而myid无非就是开放出来的一种人为干预选举的一种方式！也就是我想让哪台当主机，我可以设置myid特别大就可以了。
zk会数据同步，难道还会出现事务id不一样的情况？
在第六步的时候，只要收到半数以上就开始同步内存数据，也就意味着假如有服务器网络延迟并没有发生ACK，但是也超过了半数，超过半数就不等他了，直接数据同步内存，而当别的服务器都同步完后，这时候网络延迟的那台服务器又好了，这时他的事务id就会和其他节点数据不一致！
6.CAP 定理
2000 年 7 ⽉，加州⼤学伯克利分校的 Eric Brewer 教授在 ACM PODC 会议上提出 CAP 猜想。2年后，麻省理⼯学院的 Seth Gilbert 和 Nancy Lynch 从理论上证明了 CAP。之后，CAP 理论正式成为分布式计算领域的公认定理。
CAP 理论为：⼀个分布式系统最多只能同时满⾜⼀致性（Consistency）、可⽤性（Availability）和分区容错性（Partition tolerance）这三项中的两项。
- ⼀致性：更新操作成功并返回客户端完成后，所有节点在同⼀时间的数据完全⼀致。
- 可⽤性：可⽤性指“Reads and writes always succeed”，即服务⼀直可⽤，⽽且是正常响应时间(指的是一切访问正常并且打开的值是自己预期的值，这叫可用)。
- 分区容错性：即分布式系统在遇到某节点或⽹络分区故障的时候，仍然能够对外提供满⾜⼀致性或可⽤性的服务。——避免单点故障，就要进⾏冗余部署，冗余部署相当于是服务的分区，这样的分区就具备了容错性。
Zookeeper追求的是CAP当中的CP，虽然追求的是一致性，但是在数据同步时，实际上并不是强⼀致性，⽽是顺序⼀致性（事务id的单调递增）。这一点从上面的主从服务器之间的数据同步就可以看出！
这里要明白一点，假如每个节点的事务id是一致的，那他们数据一定是同步的！
7.CAP 权衡
通过 CAP 理论，我们知道⽆法同时满⾜⼀致性、可⽤性和分区容错性这三个特性，那要舍弃哪个呢？
对于多数⼤型互联⽹应⽤的场景，主机众多、部署分散，⽽且现在的集群规模越来越⼤，所以节点故障、⽹络故障是常态，⽽且要保证服务可⽤性达到 99.9999，即保证 P 和 A，舍弃C（退⽽求其次保证最终⼀致性）。虽然某些地⽅会影响客户体验，但没达到造成⽤户流程的严重程度。
对于涉及到钱财这样不能有⼀丝让步的场景，C 必须保证。⽹络发⽣故障宁可停⽌服务，这是保证 CA，舍弃 P。貌似这⼏年国内银⾏业发⽣了不下 10 起事故，但影响⾯不⼤，报到也不多，⼴⼤群众知道的少。
还有⼀种是保证 CP，舍弃 A。例如⽹络故障是只读不写。
孰优孰略，没有定论，只能根据场景定夺，适合的才是最好的。
8.BASE 理论
eBay 的架构师 Dan Pritchett 源于对⼤规模分布式系统的实践总结，在 ACM 上发表⽂章提出BASE 理论，BASE 理论是对 CAP 理论的延伸，核⼼思想是即使⽆法做到强⼀致性（Strong Consistency，CAP 的⼀致性就是强⼀致性），但应⽤可以采⽤适合的⽅式达到最终⼀致性（Eventual Consitency）。
- 基本可⽤（Basically Available）：基本可⽤是指分布式系统在出现故障的时候，
允许损失部分可⽤性，即保证核⼼可⽤。电商⼤促时，为了应对访问量激增，部分⽤户可能会被引导到降级⻚⾯，服务层也可能只提供降级服务。这就是损失部分可⽤性的体现。 - 软状态（Soft State）：软状态是指允许系统存在中间状态，⽽该中间状态不会影响系统整体可⽤性。分布式存储中⼀般⼀份数据⾄少会有三个副本，
允许不同节点间副本同步的延时就是软状态的体现。mysql replication 的异步复制也是⼀种体现。 - 最终⼀致性（Eventual Consistency）：最终⼀致性是指系统中的所有数据副本经过⼀定时间后，
最终能够达到⼀致的状态。弱⼀致性和强⼀致性相反，最终⼀致性是弱⼀致性的⼀种特殊情况。
9.集群节点数量最好奇数
通过以上了解到，我们假如是3台节点，只要有两台参加投票就能得出主节点。那也就是3台挂掉任意一台，仍然不影响使用，因为我还能选出主节点，也就是33.33%的容错率。
假如是偶数4台的话，那么票数过半需要三票的支持。那也就是4台的话需要有3台进行参与投票，同样也是只允许挂掉1台服务，但是他是4台服务，那么他的容错率就占比25%。
假如是奇数5台的话，那么票数过半同样也是需要三票的支持。那也就是意味着5台挂掉两台之后仍然可以使用，那么他的容错率就占比40%。
由此得出奇数在容错率上要比偶数容错率好。
10.Zookeeper中的NIO与BIO的应⽤
NIO
- ⽤于被客户端连接的2181端⼝，使⽤的是NIO模式与客户端建⽴连接
- 客户端开启Watch时，也使⽤NIO，等待Zookeeper服务器的回调
BIO
- 集群在选举时，多个节点之间的投票通信端⼝，使⽤BIO进⾏通信。