ZooKeeper详解3.原理剖析

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参考资料来源
Zookeeper的功能以及工作原理
zookeeper的领导者选举和原子广播
Zookeeper 3、Zookeeper工作原理（详细）

1 ZooKeeper的设计目的

1. 最终一致性：Client不论连接到哪个Server，展示给它都是同一个视图，这是ZooKeeper最重要的性能。
2. 可靠性：具有简单、健壮、良好的性能，如果消息被到一台服务器接受，那么它将被所有的服务器接受。
3. 实时性：ZooKeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新信息，或者服务器失效的信息。但由于网络延时等原因，ZooKeeper不能保证两个客户端能同时得到刚更新的数据，如果需要最新数据，应该在读数据之前调用sync()接口。
4. 等待无关：慢的或者失效的Client不得干预快速的Client的请求，使得每个Client都能有效的等待。
5. 原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。
6. 顺序性：包括全局有序和偏序两种：全局有序是指如果在一台服务器上消息A在消息B前发布，则在所有Server上消息A都将在消息B前被发布；偏序是指如果一个消息B在消息A后被同一个发送者发布，A必将排在B前面。

2 ZooKeeper Server的三种角色

• Leader：负责进行投票的发起和决议，更新系统状态
• Follower：用于接受客户端请求并向客户端返回结果，在选主过程中参与投票
• Observer：可以接受客户端连接，将写请求转发给Leader，但Observer不参加投票过程，只同步Leader的状态，Observer的目的是为了扩展读取速度
• Leaner：Follower和Observer的统称

ZooKeeper集群

Leader的作用

1. 恢复数据；
2. 维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；

Leader的消息类型

1. PING消息： 心跳消息；
2. PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；
3. COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；
4. UPTODATE消息：表明同步完成；
5. REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；
6. SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。

Follower的作用

1. 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
2. 接收Leader消息并进行处理；
3. 接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；
4. 返回Client请求的处理结果。

Follower的消息类型

1. PING消息：是指Learner的心跳信息
2. REQUEST消息是Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求
3. ACK消息是Follower的对提议的回复，超过半数的Follower通过，则commit该提议；
4. REVALIDATE消息是用来延长SESSION有效时间。

3 Server的三种状态

• LOOKING：当前Server不知道Leader是谁，正在搜寻
• LEADING：当前Server即为选举出来的leader
• FOLLOWING：leader已经选举出来，当前Server与之同步

4 选主流程

当Leader崩溃或者Leader失去大多数的Follower，这时候ZooKeeper集群进入恢复模式，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。ZooKeeper的选举算法有两种：一种是基于basic paxos实现的，另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。

basic paxos算法

1. 选举线程由当前Server发起选举的线程担任，其主要功能是对投票结果进行统计，并选出推荐的Server；
2. 选举线程首先向所有Server发起一次询问（包括自己）；
3. 选举线程收到回复后，验证是否是自己发起的询问（验证zxid是否一致），然后获取对方的id（myid），并存储到当前询问对象列表中，最后获取对方提议的leader相关信息（id、zxid），并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中；
4. 收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的那个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server；
5. 线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader，如果此时获胜的Server获得n/2+1的Server票数，设置当前推荐的Leader为获胜的Server，将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态
6. 否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。
7. 通过流程分析我们可以得出：要使Leader获得多数Server的支持，则Server总数必须是奇数2n+1，且存活的Server的数目不得少于n+1. 每个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，如果是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息，zk会记录事务日志并定期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复。

fast paxos算法

1. 某Server首先向所有Server提议自己要成为Leader
2. 当其它Server收到提议以后，解决epoch和zxid的冲突，并接受对方的提议
3. 然后向对方发送接受提议完成的消息
4. 重复这个流程，最后一定能选举出Leader

5 Zookeeper同步流程

1. Leader等待Server连接；
2. Follower连接Leader，将最大的zxid发送给Leader；
3. Leader根据Follower的zxid确定同步点；
4. 完成同步后通知Follower已经成为uptodate状态；
5. Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。

6 接收请求处理流程

image.png

1. 在Client向Follwer发出一个写的请求
2. Follwer把请求发送给Leader
3. Leader接收到以后开始发起投票并通知Follwer进行投票
4. Follwer把投票结果发送给Leader
5. Leader将结果汇总后如果需要写入，则开始写入同时把写入操作通知给Leader，然后commit;
6. Follwer把请求结果返回给Client