Zookeeper（23）Zookeeper的选举机制是什么？

Zookeeper 的选举机制是确保在集群中始终有一个唯一的 Leader。Leader 负责处理所有的写请求和协调事务的提交，而 Follower 负责处理读请求和转发写请求给 Leader。选举机制的核心是 Zookeeper Atomic Broadcast (Zab) 协议，它确保在发生节点故障或网络分区时，能够快速而可靠地选出新的 Leader。

Zookeeper 选举机制详细介绍

1. 初始选举：

   • 当 Zookeeper 集群启动时，所有节点开始进行 Leader 选举。每个节点都会发起一次投票，投票的候选人是自己。节点将自己的投票发送给其他所有节点。
   • 每个节点接收到其他节点的投票后，会根据投票的逻辑（如节点 ID 或事务日志的 zxid）进行比较，并选择一个优先级最高的节点作为 Leader。

2. 选举过程：

   • 投票初始化：每个节点将自己初始化为投票候选人，并将自己的投票信息（包括节点 ID 和 zxid）发送给其他所有节点。
   • 接收投票：每个节点接收到其他节点的投票后，进行投票比较，选择优先级最高的投票作为当前投票。
   • 投票比较：比较投票时，优先比较 zxid（事务日志的最大 zxid），如果 zxid 相同，则比较节点 ID，节点 ID 较大的投票获胜。
   • 投票更新：如果节点接收到的投票优先级高于当前投票，则更新当前投票，并将新的投票发送给其他节点。
   • 投票统计：当一个节点接收到多数节点（超过半数）的相同投票时，该节点确认该投票对应的节点为 Leader。

3. Leader 确认：

   • 当一个节点确认自己成为 Leader 或接收到的投票对应的节点成为 Leader 时，节点进入相应的角色（Leader 或 Follower），并开始正常工作。

代码示例

以下代码示例展示了如何使用 Zookeeper 客户端进行 Leader 选举的模拟。

1. 添加 Maven 依赖

在 pom.xml 中添加 Zookeeper 客户端的依赖：

<dependency>
    <groupId>org.apache.zookeepergroupId>
    <artifactId>zookeeperartifactId>
    <version>3.6.3version>
dependency>

2. Leader 选举模拟

以下代码示例展示了如何使用 Zookeeper 客户端进行 Leader 选举的模拟。

import org.apache.zookeeper.*;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;

import java.io.IOException;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class LeaderElection implements Watcher {
    private static final String ZK_ADDRESS = "localhost:2181";
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 3000;
    private static final String ELECTION_NAMESPACE = "/election";
    
    private ZooKeeper zooKeeper;
    private String currentNode;

    public void connect() throws IOException {
        zooKeeper = new ZooKeeper(ZK_ADDRESS, SESSION_TIMEOUT, this);
    }

    public void createElectionZNode() throws KeeperException, InterruptedException {
        String zNodePrefix = ELECTION_NAMESPACE + "/n_";
        currentNode = zooKeeper.create(zNodePrefix, new byte[]{}, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        System.out.println("Created znode: " + currentNode);
    }

    public void volunteerForLeadership() throws KeeperException, InterruptedException {
        List<String> children = zooKeeper.getChildren(ELECTION_NAMESPACE, false);
        Collections.sort(children);

        String smallestChild = children.get(0);
        if (currentNode.endsWith(smallestChild)) {
            System.out.println("I am the leader.");
            return;
        }

        String watchNode = null;
        for (int i = children.size() - 1; i >= 0; i--) {
            if (currentNode.endsWith(children.get(i))) {
                watchNode = children.get(i - 1);
                break;
            }
        }

        if (watchNode != null) {
            Stat stat = zooKeeper.exists(ELECTION_NAMESPACE + "/" + watchNode, this);
            if (stat == null) {
                volunteerForLeadership();
            } else {
                System.out.println("Watching node: " + watchNode);
            }
        }
    }

    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        if (event.getType() == Event.EventType.NodeDeleted) {
            try {
                volunteerForLeadership();
            } catch (KeeperException | InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public void close() throws InterruptedException {
        if (zooKeeper != null) {
            zooKeeper.close();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        LeaderElection leaderElection = new LeaderElection();
        leaderElection.connect();

        leaderElection.createElectionZNode();
        leaderElection.volunteerForLeadership();

        Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);

        leaderElection.close();
    }
}

详细解释

1. 连接 Zookeeper 集群：

   • 在 connect 方法中，创建一个新的 Zookeeper 客户端实例，并通过 Watcher 监听连接状态。

2. 创建选举节点：

   • 在 createElectionZNode 方法中，使用 zooKeeper.create 方法创建一个带有前缀的临时顺序节点。该节点用于选举过程中的排序和比较。

3. 参与选举：

   • 在 volunteerForLeadership 方法中，获取选举节点的子节点列表，并进行排序。
   • 如果当前节点是列表中的第一个节点，则当前节点成为 Leader。
   • 否则，找到比当前节点小的前一个节点，并对其进行监听（Watcher）。如果前一个节点被删除（Leader 失效），则重新进行选举。

4. 事件处理：

   • 在 process 方法中，处理节点删除事件（前一个节点被删除），重新进行选举。

5. 关闭连接：

   • 在 close 方法中，关闭 Zookeeper 客户端连接。

总结

Zookeeper 的选举机制通过 Zab 协议确保在集群中始终有一个唯一的 Leader。Leader 负责处理所有的写请求和协调事务的提交，而 Follower 负责处理读请求和转发写请求给 Leader。通过上述代码示例，可以了解如何使用 Zookeeper 客户端进行 Leader 选举的模拟，包括连接集群、创建选举节点、参与选举、处理事件以及关闭连接。