ZooKeeper原理与它的集群工作流程

benzhou

概要
ZooKeeper是Hadoop的正式子项目，它是一个针对大型分布式系统的可靠协调系统，提供的功能包括：配置维护、名字服务、分布式同步、组服务等。
本文仅阐述ZooKeeper工作原理，对于如何使用ZooKeeper本文不做讨论。
 
ZooKeeper的特性
原子性：一个update操作不是成功就是失败，不会有第三种状态出现。
顺序性：在一个ZooKeeper集群中，其中一台ZooKeeper服务器上的消息a在消息b之前发布，那么在所有的ZooKeeper服务器上的消息a都会在消息b之前被发布，ZooKeeper会保持一致顺序。
实时性：对于每个client，ZooKeeper集群中的所有服务器都会保持实时更新制度，使得所有的服务视图都会是最新的。
统一镜像：client无论连接到集群中的哪一个ZooKeeper服务，都是得到同样的镜像视图。
可靠性：如果一个update请求被集群中其中某一台ZooKeeper服务接受了，那么就等于被所有ZooKeeper服务接受了;只有下次的update请求进来才会发生改变。
 
ZooKeeper 集群中存在的各种角色

角色名称	职责
领导者(Leader)	就是ZooKeeper集群的老大，它不接受client的请求，是管理其他ZooKeeper服务的，只负责进行投票的发起和决议，最终更新状态
追随者(Follower)	追随者（Follower）的上司是领导者（Leader），参与领导者（Leader）发起的投票，向下是面向客户端的交互，用于接收客户端的请求和反馈客户端的结果。参与领导者（Leader）发起的投票。
观察者(Observer)	观察者可以接收客户端连接，将写请求转发给领导者（Leader）节点。但是Observer不参加投票过程，只是同步领导者（Leader）的状态。Observer为系统扩展提供了一种方法。

 
ZooKeeper集群在没有（观察者角色）的情况下的运作
通常ZooKeeper由2n+1台servers组成集群服务，每个server都知道彼此的存在。每个server都维护有内存状态镜像以及持久化存储的事务日志和快照。对于2n+1台server，只要有n+1台（大多数）server可用，整个系统保持可用。
系统启动时，集群中的server会选举出一台server为领导者（Leader），其它的就作为追随者(Follower),接着由追随者(Follower)来服务client的请求，对于不改变系统一致性状态的读操作，由追随者(Follower)的本地内存数据库直接给client返回结果；对于会改变系统状态的更新操作，则交由领导者（Leader）进行提议投票，超过半数通过后返回结果给client。
 
ZooKeeper工作原理
ZooKeeper的核心是原子广播，这个机制保证了各个server之间的同步。实现这个机制的协议叫做Zab协议。
Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式和广播模式。
恢复模式：一般是在服务刚启动或者在领导者（Leader）崩溃后，开始进入恢复模式，此时先就会开始选举领导者（Leader），当领导者（Leader）被选举出来，并且追随者（Follower）完成了和当前领导者（Leader）的状态及数据同步以后，恢复模式就结束了。
广播模式：恢复模式结束后，即领导者（Leader）已经和追随者（Follower）进行了状态同步以后，他就可以开始广播消息了，即进入广播状态（开始当国王来管束子民）。
 
在集群中动态新增一个新的ZooKeeper实例节点
这时候当一个新的ZooKeeper实例加入到当前的集群中时，它会在恢复模式下启动，然后去寻找当前集群的领导者（Leader），并与领导者（Leader）进行状态数据同步。直到同步结束，它也参与消息广播，此时他也成为了一名追随者（Follower）。
总之，ZooKeeper服务一直维持在广播模式状态，直到领导者（Leader）崩溃了或者领导者（Leader）失去了大部分的追随者（Follower）的支持。
 
广播模式（ZooKeeper集群处理事务的逻辑规则）
广播模式模式极其类似于分布式事务中的2pc（two-phrase commit 两阶段提交）：即领导者（Leader）提起一个决议，由追随者(Follower)s进行投票，领导者（Leader）对投票结果进行计算决定是否通过该决议，如果通过执行该决议（事务），否则什么也不做。
广播模式需要保证提议(proposal)被按顺序处理，因此ZooKeeper采用了递增的事务id号(zxid)来保证。所有的提议(proposal)都在被提出的时候加上了zxid。实现中zxid是一个64为的数字，它高32位是epoch用来标识领导者（Leader）关系是否改变，每次一个领导者（Leader）被选出来，它都会有一个新的epoch。低32位是个递增计数。
当领导者（Leader）崩溃或者领导者（Leader）失去大多数的追随者(Follower)，这时候ZooKeeper进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的领导者（Leader），让所有的server都恢复到一个正确的状态。
 
恢复模式中 选举领导者(Leader)的规则
首先看一下选举的过程，ZooKeeper的实现中用了基于paxos算法（主要是fastpaxos）的实现。具体如下：
1.每个Server启动以后都询问其它的Server它要投票给谁。
2.对于其他server的询问，server每次根据自己的状态都回复自己推荐的领导者（Leader）的id和上一次处理事务的zxid（系统启动时每个server都会推荐自己）
3.收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的哪个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server。
4.计算这过程中获得票数最多的的sever为获胜者，如果获胜者的票数超过半数，则改server被选为领导者（Leader）。否则，继续这个过程，直到领导者（Leader）被选举出来。
此外恢复模式下，如果是重新刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息。（ZooKeeper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）
选完领导者（Leader）以后，ZooKeeper就进入状态同步过程。
1.领导者（Leader）就会开始等待server连接
2.追随者 (Follower) 连接 领导者（Leader），将最大的zxid发送给领导者（Leader）
3.领导者（Leader）根据追随者(Follower)的zxid确定同步点
4.完成同步后通知追随者(Follower) 已经成为uptodate状态
5.追随者 (Follower) 收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。