【Zookeeper系列六】Zookeeper 工做原理

#0 系列目录#

• Zookeeper系列

• 【Zookeeper系列一】Zookeeper应用介绍与安装部署

• 【Zookeeper系列二】ZooKeeper典型应用场景实践

• 【Zookeeper系列三】ZooKeeper Java API使用

• 【Zookeeper系列四】ZooKeeper 分布式锁实现

• 【Zookeeper系列五】ZooKeeper 实时更新server列表

• 【Zookeeper系列六】Zookeeper 工做原理

• Zookeeper源码

• 【Zookeeper源码一】Zookeeper 源码环境搭建

• 【Zookeeper源码二】Zookeeper 客户端建立链接过程分析

• 【Zookeeper源码三】Zookeeper 单机版服务器介绍

• 【Zookeeper源码四】Zookeeper 集群版服务器介绍

• 【Zookeeper源码五】Zookeeper 集群版创建链接过程

• Zookeeper应用

• 基于ZooKeeper的分布式Session实现

ZooKeeper是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务，它包含一个简单的原语集，分布式应用程序能够基于它实现同步服务，配置维护和命名服务等。Zookeeper是hadoop的一个子项目，其发展历程无需赘述。在分布式应用中，因为工程师不能很好地使用锁机制，以及基于消息的协调机制不适合在某些应用中使用，所以须要有一种可靠的、可扩展的、分布式的、可配置的协调机制来统一系统的状态。Zookeeper的目的就在于此。本文简单分析Zookeeper的工做原理，对于如何使用Zookeeper不是本文讨论的重点。

#1 Zookeeper的基本概念# ##1.1 角色## Zookeeper中的角色主要有如下三类，以下表所示：

系统模型如图所示：

##1.2 设计目的##

1. 最终一致性：client不论链接到哪一个Server，展现给它都是同一个视图，这是zookeeper最重要的性能。

2. 可靠性：具备简单、健壮、良好的性能，若是消息m被其中一台服务器接受，那么它将被全部的服务器接受。

3. 实时性：Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内得到服务器的更新信息，或者服务器失效的信息。但因为网络延时等缘由，Zookeeper不能保证两个客户端能同时获得刚更新的数据，若是须要最新数据，应该在读数据以前调用sync()接口。

4. 等待无关（wait-free）：慢的或者失效的client不得干预快速的client的请求，使得每一个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：全局有序是指若是在一台服务器上消息a在消息b前发布，则在全部Server上消息a都将在消息b前被发布；偏序是指若是一个消息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工做原理# 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作Zab协议。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者在领导者崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，且大多数Server完成了和leader的状态同步之后，恢复模式就结束了。状态同步保证了leader和Server具备相同的系统状态。

为了保证事务的顺序一致性，zookeeper采用了递增的事务id号（zxid）来标识事务。全部的提议（proposal）都在被提出的时候加上了zxid。实现中zxid是一个64位的数字，它高32位是epoch用来标识leader关系是否改变，每次一个leader被选出来，它都会有一个新的epoch，标识当前属于那个leader的统治时期。低32位用于递增计数。

每一个Server在工做过程当中有三种状态：

1. LOOKING：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻

2. LEADING：当前Server即为选举出来的leader

3. FOLLOWING：leader已经选举出来，当前Server与之同步

##2.1 选主流程## 当leader崩溃或者leader失去大多数的follower，这时候zk进入恢复模式，恢复模式须要从新选举出一个新的leader，让全部的Server都恢复到一个正确的状态。Zk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。

先介绍basic paxos流程：

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. 选举线程首先向全部Server发起一次询问(包括本身)；
3. 选举线程收到回复后，验证是不是本身发起的询问(验证zxid是否一致)，而后获取对方的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. 收到全部Server回复之后，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，若是此时获胜的Server得到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相关信息设置本身的状态，不然，继续这个过程，直到leader被选举出来。

经过流程分析咱们能够得出：要使Leader得到多数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。

每一个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，若是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会记录事务日志并按期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复。

选主的具体流程图以下所示：

fast paxos流程是在选举过程当中，某Server首先向全部Server提议本身要成为leader，当其它Server收到提议之后，解决epoch和zxid的冲突，并接受对方的提议，而后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后必定能选举出Leader。其流程图以下所示：

##2.2 同步流程## 选完leader之后，zk就进入状态同步过程：

1. leader等待server链接；
2. Follower链接leader，将最大的zxid发送给leader；
3. Leader根据follower的zxid肯定同步点；
4. 完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；
5. Follower收到uptodate消息后，又能够从新接受client的请求进行服务了；

流程图以下所示：

##2.3 工做流程## ###2.3.1 Leader工做流程### Leader主要有三个功能：

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；

3. Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根据不一样的消息类型，进行不一样的处理；

**PING消息：**是指Learner的心跳信息；

**REQUEST消息：**是Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求；

**ACK消息：**是Follower的对提议的回复，超过半数的Follower经过，则commit该提议；

**REVALIDATE消息：**是用来延长SESSION有效时间；

Leader的工做流程简图以下所示，在实际实现中，流程要比下图复杂得多，启动了三个线程来实现功能：

###2.3.2 Follower工做流程### Follower主要有四个功能：

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，若是为写请求，发送给Leader进行投票；

4. 返回Client结果；

Follower的消息循环处理以下几种来自Leader的消息：

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：代表同步完成；

5. REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session仍是容许其接受消息；

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，用来强制获得最新的更新。

Follower的工做流程简图以下所示，在实际实现中，Follower是经过5个线程来实现功能的：

对于observer的流程再也不叙述，observer流程和Follower的惟一不一样的地方就是observer不会参加leader发起的投票。