ZooKeeper 数据同步

• 在 Zookeeper 中，主要依赖 ZAB 协议来实现分布式数据一致性。
• ZAB 协议分为两部分：
  • 消息广播。
  • 崩溃恢复。

消息广播

Zookeeper 使用单一的主进程 Leader 来接收和处理客户端所有事务请求，并采用 ZAB 协议的原子广播协议，将事务请求以 Proposal 提议广播到所有 Follower 节点，当集群中有过半的Follower 服务器进行正确的 ACK 反馈，那么Leader就会再次向所有的 Follower 服务器发送commit 消息，将此次提案进行提交，这个过程可以简称为 2pc 事务提交，整个流程可以参考下图，注意 Observer 节点只负责同步 Leader 数据，不参与 2PC 数据同步过程。

崩溃恢复

• 在正常情况消息广播情况下能运行良好，但是一旦 Leader 服务器出现崩溃，或者由于网络原理导致 Leader 服务器失去了与过半 Follower 的通信，那么就会进入崩溃恢复模式，需要选举出一个新的 Leader 服务器，在这个过程中可能会出现两种数据不一致性的隐患，需要 ZAB 协议的特性进行避免。
  1. Leader 服务器将消息 commit 发出后，立即崩溃。
  2. Leader 服务器刚提出 proposal 后，立即崩溃。
• ZAB 协议的恢复模式使用了以下策略：
  • 选举 zxid 最大的节点作为新的 leader
  • 新 leader 将事务日志中尚未提交的消息进行处理。

Leader 选举

• zookeeper 的 leader 选举存在两个阶段，一个是服务器启动时 leader 选举，另一个是运行过程中 leader 服务器宕机，在分析选举原理前，先介绍几个重要的参数。
  • 服务器 ID(myid)：编号越大在选举算法中权重越大。
  • 事务 ID(zxid)：值越大说明数据越新，权重越大。
  • 逻辑时钟（epoch-logicalclock)：同一轮投票过程中的逻辑时钟值是相同的，每投完一次值会增加。
• 选举状态
  • LOOKING：竞选状态。
  • FOLLOWING：随从状态，同步 leader 状态，参与投票。
  • OBSERVING：观察状态，同步 leader 状态，不参与投票。
  • LEADING：领导者状态。

服务器启动时的 leader 选举

• 每个节点启动的时候都 LOOKING 观望状态，接下来就开始进行选举主流程，这里选取三台机器组成的集群为例，第一台服务器 server1启动时，无法进行 leader 选举，当第二台服务器 server2 启动时，两台机器可以相互通信，进入 leader 选举过程。
  1. 每台 server 发出一个投票，由于是初始情况，server1 和 server2 都将自己作为 leader 服务器进行投票，每次投票包含所推举的服务器myid,zxid,epoch，使用（myid,zxid）表示，此时 server1 投票为（1,0),server2 投票为（2,0)，然后将各自投票发送给集群中其他机器。
  2. 接收来自各个服务器的投票，集群中的每个服务器收到投票后，首先判断该投票的有效性，如检查是否是本轮投票（epoch)，是否来自 LOOKING 状态的服务器。
  3. 分别处理投票，针对每一次投票，服务器都需要将其他服务器的投票和自己的投票进行对比，对比规则如下：
     1. 优先比较 epoch
     2. 检查 zxid,zxid 比较大的服务器优先作为 leader
     3. 如果 zxid 相同，那么就比较 myid,myid 较大的服务器作为 leader 服务器。
  4. 统计投票，每次投票后，服务器统计投票信息，判断是都有过半机器接收到相同的投票信息，server1,server2 都统计出集群中有两台机器接受了（2,0）的投票信息，此时已经选出了 server2 为 leader 节点。
  5. 改变服务器状态，一旦确定了 leader，每个服务器响应更新自己的状态，如果是 follower，那么就变更为 FOLLOWING，如果是 Leader，变更为 LEADING，此时 server3继续启动，直接加入变更自己为 FOLLOWING

运行过程中的 leader 选举

• 当集群中 leader 服务器出现宕机或者不可用情况时，整个集群无法对外提供服务，进入新一轮的 leader 选举。
  1. 变更状态，leader 挂后，其他非 Oberver服务器将自身服务器状态变更为 LOOKING
  2. 每个 server 发出一个投票，在运行期间，每个服务器上 zxid 可能不同。
  3. 处理投票，规则同启动过程。
  4. 统计投票，与启动过程相同。
  5. 改变服务器状态，与启动过程相同。