【Zookeeper学习】集群选举机制

zookeeper选举发生时机有以下两种情况：

• 服务器启动初始化
• 服务器运行期间Leader挂掉

一、基本概念

1.集群机器 ID

是指 myid，它是每一个集群机器中的编号文件，代表 ZooKeeper 集群服务器的标识，手动生成，全局全一。

2.事务 ID

是指 ZXID，Zookeeper 会给每个更新请求分配一个事务 ID，它是一个 64 位的数字，由 Leader 统一进行分配，全局唯一，不断递增，在一个节点的状态信息中可以查看到最新的事务 ID 信息。

ZXID有两部分组成：

• 任期：完成本次选举后，直到下次选举前，由同一Leader负责协调写入；
• 事务计数器：单调递增，每生效一次写入，计数器加一。

ZXID的低32位是计数器，所以同一任期内，ZXID是连续的，每个结点又都保存着自身最新生效的ZXID，通过对比新提案的ZXID与自身最新ZXID是否相差“1”，来保证事务严格按照顺序生效的。

3.Zookeeper 服务器角色

3.1 Leader

领导者，整个Zookeeper集群工作机制中的核心，主要工作：

• 事务请求的唯一调度和处理者，保证集群事务处理的顺序性
• 集群内部各服务的调度者

3.2 Follower

追随者，主要工作：

• 处理客户端非事务请求，转发事务请求给Leader服务器
• 参与事务请求Proposal的投票
• 参与Leader选举投票

3.3 Observer

Observer是3.3.0 版本开始引入的一个服务器角色，它充当一个观察者角色——观察ZooKeeper集群的最新状态变化并将这些状态变更同步过来。其工作：

• 处理客户端的非事务请求，转发事务请求给 Leader 服务器
• 不计入集群可用状态数目
• 不参与任何形式的投票

4. Zookeeper 服务器工作状态

四种：LOOKING、FOLLOWING、LEADING、OBSERVING。

• LOOKING：寻找Leader状态。当服务器处于该状态时，它会认为当前集群中没有 Leader，因此需要进入 Leader 选举状态。
• FOLLOWING：跟随者状态。表明当前服务器角色是Follower。
• LEADING：领导者状态。表明当前服务器角色是Leader。
• OBSERVING：观察者状态。表明当前服务器角色是Observer。

二、选举前提条件

• Zookeeper 服务器处于 LOOKING 竞选状态
  此时说明 Zookeeper 服务器集群处于群龙无首状态，另外，观察者状态不能参与竞选投票。

• Zookeeper 集群规模至少要 3 台机器或以上
  集群规则为：2N + 1台，N > 0，即最少需要 3 台，因为 ZK 集群的机制是只要超过半数的节点正常，集群就能正常提供服务。只有在 ZK 节点挂得太多，只剩一半或不到一半节点能工作时，集群才会失效。

三、选举时机

1.服务器启动初始化的Leader选举

假设现有5台Zookeeper服务器，myid分别为1、2、3、4、5，如图：

依次启动：

• 服务器1启动，当前只有一台服务器，无法完成选举工作；
• 服务器2启动，此时已有两台服务器，开始进入Leader选举阶段
• 每个服务器发出一个投票，都将自己作为Leader服务器进行投票，投票元素有myid和ZXID，以（myid和ZXID）形式表示。这样，服务器1和服务器2由于都投的是自己，可表示为（1，0）和（2，0），然后将各自的投票发给集群中的其他机器。（注：初始阶段ZXID均一样，假设为0）
• 接收并校验投票。每个服务器都会接受来自其他服务器的投票，同时，服务器会校验投票的有效性，包括：是否本轮投票、是否来自LOOKING状态的服务器。
• 处理投票。收到其他服务器的投票后，根据PK规则处理投票，即：
  1)优先检查ZXID。ZXID较大的服务器优先作为Leader；
  2)若ZXID一样，则比较myid，myid较大者作为Leader。这里服务器1和2PK后的结果为服务器2优先作为Leader，此时服务器1和2的选票均为（2，0）；
• 统计投票。每次投票后，服务器会统计所有投票，判断是否有过半的机器接受到相同的投票信息。服务器2收到两票，少于3（n/2+1,n为总服务器5），所以继续保持LOOKING状态；
• 服务器3（myid=3）启动，继续进入Leader选举阶段。跟前面流程一致，服务器1和2先投自己一票，因为服务器3的myid最大，所以大家把票改投给它。此时，服务器为3票（大于等于n/2+1）,所以服务器3当选为Leader。服务器1，2更改状态为FOLLOWING，服务器3更改状态为LEADING；
• 服务器4启动，发起一次选举。此时服务器1，2，3已经不是LOOKING状态，不会更改选票信息。选票信息结果：服务器3为3票，服务器4为1票。服务器4并更改状态为FOLLOWING；
• 服务器5启动，发起一次选举。同理，服务器也是把票投给服务器3，服务器5并更改状态为FOLLOWING；
• 投票结束，服务器3当选为Leader。

2.服务器运行期间的Leader选举

Zookeeper集群的五台服务器（myid=1-5）正在运行中，突然某个瞬间，Leader服务器3挂了，这时候便开始Leader选举~

2.1 变更状态

Leader 服务器挂了之后，余下的非Observer服务器都会把自己的服务器状态更改为LOOKING，然后开始进入Leader选举流程。

2.2 每个服务器发起投票

每个服务器都把票投给自己，因为是运行期间，所以每台服务器的ZXID可能不相同。假设服务1,2,4,5的zxid分别为333,666,999,888，则分别产生投票（1,333），（2，666），（4,999）和（5,888），然后各自将这个投票发给集群中的其他所有机器。

2.3 接受来自各个服务器的投票

2.4 处理投票

投票规则是跟Zookeeper集群启动期间一致的，优先检查ZXID，大的优先作为Leader，所以显然服务器zxid=999具有优先权。

2.5 统计投票

2.6 改变服务器状态