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品味Zookeeper之選舉及數(shù)據(jù)一致性

本文思維導(dǎo)圖

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前言

為了高可用和數(shù)據(jù)安全起見，zk集群一般都是由幾個節(jié)點構(gòu)成(由n/2+1，投票機制決定，肯定是奇數(shù)個節(jié)點)。多節(jié)點證明它們之間肯定會有數(shù)據(jù)的通信，同時，為了能夠使zk集群對外是透明的，一個整體對外提供服務(wù)，那么客戶端訪問zk服務(wù)器的數(shù)據(jù)肯定是要數(shù)據(jù)同步，也即數(shù)據(jù)一致性。

zk集群是Leader/Follower模式來保證數(shù)據(jù)同步的。整個集群同一時刻只能有一個Leader，其他都是Follower或Observer。Leader是通過選舉選出來的，這里涉及到ZAB協(xié)議(原子消息廣播協(xié)議)。

1.ZAB協(xié)議

1.1 概念理解

為了更好理解下文，先說ZAB協(xié)議，它是選舉過程和數(shù)據(jù)寫入過程的基石。ZAB的核心是定義會改變zk服務(wù)器數(shù)據(jù)狀態(tài)的事務(wù)請求的處理方式。

ZAB的理解：所有事務(wù)請求是由一個全局唯一的服務(wù)器來協(xié)調(diào)處理，這個的服務(wù)器就是Leader服務(wù)器，
其它服務(wù)器都是Follower服務(wù)器或Observer服務(wù)器。Leader服務(wù)器負(fù)責(zé)將一個客戶端的請求轉(zhuǎn)換成那個一個事務(wù)Proposal?(提議)，將該Proposal分發(fā)給集群中所有的Follower服務(wù)器。然后Leader服務(wù)器需要等待所有Follower服務(wù)器的應(yīng)答，當(dāng)Leader服務(wù)器收到超過半數(shù)的Follower服務(wù)器進行了明確的應(yīng)答后，Leader會再次向所有的Follower服務(wù)器分發(fā)Commit消息，要求其將前一個Proposal進行提交。

注意事務(wù)提議這個詞，就類似 人大代表大會提議 ，提議就代表會有應(yīng)答，之間有通信。因此在zk的ZAB協(xié)議為了可靠性和可用性，會有投票，應(yīng)答等操作來保證整個zk集群的正常運行。

總的來說就是，涉及到客戶端對zk集群數(shù)據(jù)改變的行為都先由Leader統(tǒng)一響應(yīng)，然后再把請求轉(zhuǎn)換為事務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他所有的Follower，F(xiàn)ollower應(yīng)答并處理事務(wù)，最后再反饋。如果客戶端只是讀請求，那么zk集群所有的節(jié)點都可以響應(yīng)這個請求。

1.2 ZAB協(xié)議三個階段

1.發(fā)現(xiàn)(選舉Leader過程)
2.同步(選出Leader后，F(xiàn)ollower和Observer需進行數(shù)據(jù)同步)
3.廣播(同步之后，集群對外工作響應(yīng)請求，并進行消息廣播，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在集群節(jié)點的副本存儲)

下面會逐點分析，但是在這之前先來了解了解zookeeper服務(wù)器的知識吧。

2.Zookeeper服務(wù)器

2.1 zk服務(wù)器角色

Leader
事務(wù)請求的唯一調(diào)度和處理者，保證集群事務(wù)處理的順序序性
集群內(nèi)部各服務(wù)器的調(diào)度者
Follower
處理客戶端非事務(wù)請求，轉(zhuǎn)發(fā)事務(wù)請求給Leader服務(wù)器
參與事務(wù)請求Proposal的投票
參與Leader的選舉投票
Observer
處理客戶端非事務(wù)請求，轉(zhuǎn)發(fā)事務(wù)請求給Leader服務(wù)器
不參加任何形式的投票，包括選舉和事務(wù)投票(超過半數(shù)確認(rèn))
Observer的存在是為了提高zk集群對外提供讀性能的能力

整個zk集群的角色作用如下圖：

image

2.2 zk服務(wù)器狀態(tài)

LOOKING
尋找Leader狀態(tài)
當(dāng)服務(wù)器處于這種狀態(tài)時，表示當(dāng)前沒有Leader，需要進入選舉流程
FOLLOWING
從機狀態(tài)，表明當(dāng)前服務(wù)器角色是Follower
OBSERVING
觀察者狀態(tài)，表明當(dāng)前服務(wù)器角色是Observer
LEADING
領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)，表明當(dāng)前服務(wù)器角色是Leader
ServerState 類維護服務(wù)器四種狀態(tài)。

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zk服務(wù)器的狀態(tài)是隨著機器的變化而變化的。比如Leader宕機了，服務(wù)器狀態(tài)就變?yōu)長OOKING，通過選舉后，某機器成為Leader，服務(wù)器狀態(tài)就轉(zhuǎn)換為LEADING。其他情況類似。

2.3 zk服務(wù)器通信

集群嘛，節(jié)點之間肯定是要通信的。zokeeper通信有兩個特點：

1.使用的通信協(xié)議是TCP協(xié)議。在集群中到底是怎么連接的呢？還記得在配置zookeeper時要創(chuàng)建一個data目錄并在其他創(chuàng)建一個myid文件并寫入唯一的數(shù)字嗎？zk服務(wù)器的TCP連接方向就是依賴這個myid文件里面的數(shù)字大小排列。數(shù)小的向數(shù)大的發(fā)起TCP連接。比如有3個節(jié)點，myid文件內(nèi)容分別為1,2,3。zk集群的tcp連接順序是1向2發(fā)起TCP連接，2向3發(fā)起TCP連接。如果有n個節(jié)點，那么tcp連接順序也以此類推。這樣整個zk集群就會連接起來。

2.zk服務(wù)器是多端口的。例如配置如下：

  tickTime=2000
  dataDir=/home/liangjf/app/zookeeper/data
  dataLogDir=/home/liangjf/app/zookeeper/log
  clientPort=2181
  initLimit=5
  syncLimit=2
  server.1=192.168.1.1:2888:3888
  server.2=192.168.1.2:2888:3888
  server.3=192.168.1.3:2888:3888

第1個端口是通信和數(shù)據(jù)同步端口，默認(rèn)是2888
第2個端口是投票端口，默認(rèn)是3888

3.選舉機制

3.1 選舉算法

從zookeeper開始發(fā)布以來，選舉的算法也慢慢優(yōu)化?，F(xiàn)在為了可靠性和高可用，從3.4.0版本開始zookeeper只支持基于Tcp的FastLeaderElection選舉協(xié)議。

LeaderElection
Udp協(xié)議
AuthFastLeaderElection
udp
FastLeaderElection
Udp
Tcp

FastLeaderElection選舉協(xié)議使用TCP實現(xiàn)Leader投票選舉算法。它使用了類對象quorumcnxmanager管理連接。該算法是基于推送的，可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)來改變選舉的過程。第一，finalizewait決定等到?jīng)Q定Leader的時間。這是Leader選舉算法的一部分。
final static int finalizeWait = 200;（選舉Leader過程的進程時間）
final static int maxNotificationInterval = 60000;(通知檢查選中Leader的時間間隔)
final static int IGNOREVALUE = -1;
這里先不詳細分析，下面3.5 選舉算法源碼分析及舉栗子才分析。

3.2 何時觸發(fā)選舉

選舉Leader不是隨時選舉的，畢竟選舉有產(chǎn)生大量的通信，造成網(wǎng)絡(luò)IO的消耗。因此下面情況才會出現(xiàn)選舉：

集群啟動
服務(wù)器處于尋找Leader狀態(tài)
當(dāng)服務(wù)器處于LOOKING狀態(tài)時，表示當(dāng)前沒有Leader，需要進入選舉流程
崩潰恢復(fù)
Leader宕機
網(wǎng)絡(luò)原因?qū)е逻^半節(jié)點與Leader心跳中斷

3.3 如何成為Leader

數(shù)據(jù)新舊程度
只有擁有最新數(shù)據(jù)的節(jié)點才能有機會成為Leader
通過zxid的大小來表示數(shù)據(jù)的新，zxid越大代表數(shù)據(jù)越新
myid
集群啟動時，會在data目錄下配置myid文件，里面的數(shù)字代表當(dāng)前zk服務(wù)器節(jié)點的編號
當(dāng)zk服務(wù)器節(jié)點數(shù)據(jù)一樣新時， myid中數(shù)字越大的就會被選舉成ОLeader
當(dāng)集群中已經(jīng)有Leader時，新加入的節(jié)點不會影響原來的集群
投票數(shù)量
只有得到集群中多半的投票，才能成為Leader
多半即：n/2+1,其中n為集群中的節(jié)點數(shù)量

3.4 重要的zxid

由3.3知道zxid是判斷能否成為Leader的條件之一，它代表服務(wù)器的數(shù)據(jù)版本的新舊程度。

zxid由兩部分構(gòu)成：主進程周期epoch和事務(wù)單調(diào)遞增的計數(shù)器。zxid是一個64位的數(shù)，高32位代表主進程周期epoch，低32位代表事務(wù)單調(diào)遞增的計數(shù)器。

主進程周期epoch也叫epoch，是選舉的輪次，每選舉一次就遞增1。事務(wù)單調(diào)遞增的計數(shù)器在每次選舉完成之后就會從0開始。

如果是比較數(shù)據(jù)新舊的話，直接比較就可以了。因為如果是主進程周期越大，即高32位越大，那么低32位就不用再看了。如果主進程周期一致，低32位越大，整個zxid就越大。所以直接比較整個64位就可以了，不必高32位于高32位對比，低32位與低32位比較。

3.5 選舉算法源碼分析及舉栗子

3.5.1 舉栗子

zookeeper選舉有兩種情況：

1.集群首次啟動
2.集群在工作時Leader宕機

選主原則如下(在選舉時，對比次序是從上往下)

1.New epoch is higher
主周期更大，代所有一切是最新，就成為leader
2.New epoch is the same as current epoch, but new zxid is higher
主周期一致就是在同一輪選票中，zxid越大就成為leader，因為數(shù)據(jù)更新
3.New epoch is the same as current epoch, new zxid is the same as current zxid, but server id is higher
主周期和zxid一致，就看機器的id(myid)，myid越大就成為leader

同時，在選舉的時候是投票方式進行的，除主進程周期外，投票格式為(myid,zxid)。

第一種情況，比較容易理解，下面以3臺機器為例子。

三個zk節(jié)點A，B，C，三者開始都沒有數(shù)據(jù)，即Zxid一致，對應(yīng)的myid為1，2，3。
A啟動myid為1的節(jié)點，zxid為0，此時只有一臺服務(wù)器無法選舉出Leader
B啟動myid為2的節(jié)點，zxid為0，B的zxid與A一樣，比較myid，B的myid為2比A為1大，B成Leader
C啟動myid為3的節(jié)點，因為已經(jīng)有Leader節(jié)點，則C直接加入集群，承認(rèn)B是leader

第二種情況，已5臺機器為例子。

五個節(jié)點A，B，C，D，E，B是Leader，其他是Follower，myid分別為1，2，3，4，5，zxid分別為3，4，5，6，6。運行到某個時刻時A，B掉線或宕機，此時剩下C D E。在同一輪選舉中，C，D，E分別投自己和交叉投票。
第一次投票，都是投自己。
投票情況為：C:(3,5) D:(4,6) E:(5,6)。
同時也會收到其他機器的投票。
投票情況為：C:(3,5)(4,6)(5,6)，D:(4,6)(3,5)(5,6)，E:(5,6)(4,6)(3,5)
機器內(nèi)部會根據(jù)選主原則對比投票，變更投票，投票情況為：C:(3,5)(4,6)(5,6)【不變更】。 D:(4,6)(4,6)(5,6)【變更】。E:(5,6)(5,6)(5,6)【變更】
統(tǒng)計票數(shù)，C-1票，D-3票，E-5票。因此E成為Leader。

接下來就是對新Leader節(jié)點的檢查，數(shù)據(jù)同步，廣播，對外提供服務(wù)。

3.5.1 選舉算法源碼分析

選舉算法的全部代碼在FastLeaderElection類中。其他的lookForLeader函數(shù)是選舉Leader的入口函數(shù)。

//每一輪選舉就會增大一次邏輯時鐘，同時更新事務(wù)
synchronized(this){
    logicalclock++;
    updateProposal(getInitId(), getInitLastLoggedZxid(), getPeerEpoch());
}

//一直循環(huán)選舉直到找到leader,這里把打印和不相關(guān)的都刪除了，方便分析。

while ((self.getPeerState() == ServerState.LOOKING) &&
        (!stop)){

    //從通知隊列拉取一個投票通知
    Notification n = recvqueue.poll(notTimeout,
            TimeUnit.MILLISECONDS);

    if(n == null){
        //看是否選舉時通知發(fā)送/接收超時
        int tmpTimeOut = notTimeout*2;
        notTimeout = (tmpTimeOut < maxNotificationInterval?
                tmpTimeOut : maxNotificationInterval);
    }
    else if(self.getVotingView().containsKey(n.sid)) {
        switch (n.state) {
        case LOOKING://只有zk服務(wù)器狀態(tài)為LOOKING時才會進行選舉
            // If notification > current, replace and send messages out
            if (n.electionEpoch > logicalclock) {
                //如果選舉時的邏輯時鐘大于發(fā)送通知來源的機器的邏輯時鐘，就把對方的修改為自己的。
                logicalclock = n.electionEpoch;
                recvset.clear();
                //并統(tǒng)計票數(shù)，如果能成為leader就更新事務(wù)
                if(totalOrderPredicate(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch,
                        getInitId(), getInitLastLoggedZxid(), getPeerEpoch())) {
                    updateProposal(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch);
                } else {
                    //否者更新事務(wù)為對方的投票信息
                    updateProposal(getInitId(),
                            getInitLastLoggedZxid(),
                            getPeerEpoch());
                }
                sendNotifications();
            } else if (n.electionEpoch < logicalclock) {
                //如果通知來演的機器的邏輯時鐘比本次我的選舉時鐘低，直接返回，什么都不做。因為對方?jīng)]機會成為leader
                if(LOG.isDebugEnabled()){
                    LOG.debug("Notification election epoch is smaller than logicalclock. n.electionEpoch = 0x"
                            + Long.toHexString(n.electionEpoch)
                            + ", logicalclock=0x" + Long.toHexString(logicalclock));
                }
                break;
            } else if (totalOrderPredicate(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch,
                    proposedLeader, proposedZxid, proposedEpoch)) {
                //如果Epoch一樣，就看zxid的比較。不過還是會更新事務(wù)和回傳通知
                updateProposal(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch);
                sendNotifications();
            }

            //把所有接收到的投票信息都放到recvset集合
            recvset.put(n.sid, new Vote(n.leader, n.zxid, n.electionEpoch, n.peerEpoch));

            //統(tǒng)計誰的投票超過半數(shù)，就成為leader
            if (termPredicate(recvset,
                    new Vote(proposedLeader, proposedZxid,
                            logicalclock, proposedEpoch))) {

                //驗證一下，被選舉的leader是否有變化，就是看符不符合
                while((n = recvqueue.poll(finalizeWait,
                        TimeUnit.MILLISECONDS)) != null){
                    if(totalOrderPredicate(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch,
                            proposedLeader, proposedZxid, proposedEpoch)){
                        //符合就放進recvqueue集合
                        recvqueue.put(n);
                        break;
                    }
                }

                //改變選舉為leader的機器的狀態(tài)為LEADING
                if (n == null) {
                    self.setPeerState((proposedLeader == self.getId()) ?
                            ServerState.LEADING: learningState());

                    Vote endVote = new Vote(proposedLeader,
                            proposedZxid, proposedEpoch);
                    leaveInstance(endVote);
                    return endVote;
                }
            }
            break;
        case FOLLOWING:
        case LEADING:
            //在同一輪選舉中，判斷所有的通知，并確認(rèn)自己是leader
            if(n.electionEpoch == logicalclock){
                recvset.put(n.sid, new Vote(n.leader, n.zxid, n.electionEpoch, n.peerEpoch));
                if(termPredicate(recvset, new Vote(n.leader,
                                n.zxid, n.electionEpoch, n.peerEpoch, n.state))
                                && checkLeader(outofelection, n.leader, n.electionEpoch)) {
                    self.setPeerState((n.leader == self.getId()) ?
                            ServerState.LEADING: learningState());

                    Vote endVote = new Vote(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch);
                    leaveInstance(endVote);
                    return endVote;
                }
            }
            //在對外提供服務(wù)前，先廣播一次自己是leader的消息給所有follower，讓大家認(rèn)同我為leader。
            outofelection.put(n.sid, new Vote(n.leader, n.zxid,
                    n.electionEpoch, n.peerEpoch, n.state));
            if (termPredicate(outofelection, new Vote(n.leader,
                    n.zxid, n.electionEpoch, n.peerEpoch, n.state))
                    && checkLeader(outofelection, n.leader, n.electionEpoch)) {
                synchronized(this){
                    logicalclock = n.electionEpoch;
                    self.setPeerState((n.leader == self.getId()) ?
                            ServerState.LEADING: learningState());
                }
                Vote endVote = new Vote(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch);
                leaveInstance(endVote);
                return endVote;
            }
            break;
        }
    } 
}

比較重要的子函數(shù)有以下這些：

1.totalOrderPredicate。(投票比較變更原則，選舉的核心)

protected boolean totalOrderPredicate(long newId, long newZxid, long newEpoch, long curId, long curZxid, long curEpoch) {
    LOG.debug("id: " + newId + ", proposed id: " + curId + ", zxid: 0x" +
            Long.toHexString(newZxid) + ", proposed zxid: 0x" + Long.toHexString(curZxid));
    if(self.getQuorumVerifier().getWeight(newId) == 0){
        return false;
    }
    //按照這樣的順序比較優(yōu)先：Epoch > Zxid > myid
    return ((newEpoch > curEpoch) || 
            ((newEpoch == curEpoch) &&
            ((newZxid > curZxid) || ((newZxid == curZxid) && (newId > curId)))));
}

2.termPredicate。(最終的計算票數(shù)。先把投票放到集合中，然后再統(tǒng)計。集合能去重)

private boolean termPredicate(
        HashMap<Long, Vote> votes,
        Vote vote) {

    HashSet<Long> set = new HashSet<Long>();
    for (Map.Entry<Long,Vote> entry : votes.entrySet()) {
        if (vote.equals(entry.getValue())){
            set.add(entry.getKey());
        }
    }
    return self.getQuorumVerifier().containsQuorum(set);
}

3.Messenger。(構(gòu)造Messenger的時候創(chuàng)建2條線程WorkerSender和WorkerReceiver用于整個選舉的集群投票通信)

Messenger(QuorumCnxManager manager) {
    this.ws = new WorkerSender(manager);
    Thread t = new Thread(this.ws,
            "WorkerSender[myid=" + self.getId() + "]");
    t.setDaemon(true);
    t.start();

    this.wr = new WorkerReceiver(manager);
    t = new Thread(this.wr,
            "WorkerReceiver[myid=" + self.getId() + "]");
    t.setDaemon(true);
    t.start();
}

其他細節(jié)不多說了，主要是sendqueue和recvqueue隊列存放待發(fā)送投票通知和接收投票通知，WorkerSender和WorkerReceiver兩條線程用于投票的通信，QuorumCnxManager manager用于真正和其他機器的tcp連接維護管理，Messenger是整個投票通信的管理者。

3.數(shù)據(jù)同步機制

3.1 同步準(zhǔn)備

完成選舉之后，為了數(shù)據(jù)一致性，需要進行數(shù)據(jù)同步流程。

3.1.1 Leader準(zhǔn)備

Leader告訴其它follower當(dāng)前最新數(shù)據(jù)是什么即zxid
Leader構(gòu)建一個NEWLEADER的包，包括當(dāng)前最大的zxid，發(fā)送給所有的follower或者Observer
Leader給每個follower創(chuàng)建一個線程LearnerHandler來負(fù)責(zé)處理每個follower的數(shù)據(jù)同步請求，同時主線程開始阻塞，等到超過一半的follwer同步完成，同步過程才完成，leader才真正成為leader

3.1.2 Follower準(zhǔn)備

選舉完成后，嘗試與leader建立同步連接，如果一段時間沒有連接上就報連接超時，重新回到選舉狀態(tài)FOLLOWING
向leader發(fā)送FOLLOWERINFO包，帶上follower自己最大的zxid

3.2 同步初始化

同步初始化涉及到三個東西：minCommittedLog、maxCommittedLog、zxid
– minCommittedLog:最小的事務(wù)日志id，即zxid沒有被快照存儲的日志文件的第一條，每次快照存儲
完，會重新生成一個事務(wù)日志文件
– maxCommittedLog:事務(wù)日志中最大的事務(wù)，即zxid

4.數(shù)據(jù)同步場景

直接差異化同步(DIFF同步)
僅回滾同步TRUNC?，即刪除多余的事務(wù)日志，比如原來的Leader宕機后又重新加入，可能存在它自己寫
入提交但是別的節(jié)點還沒來得及提交
先回滾再差異化同步(TRUNC+DIFF同步)
全量同步(SNAP同步)

不同的數(shù)據(jù)同步算法適用不同的場景。

5.廣播流程

集群選舉完成，并且完成數(shù)據(jù)同步后，開始對外服務(wù)，接收讀寫請求
當(dāng)leader接收到客戶端新的事務(wù)請求后，會生成對新的事務(wù)proposal，并根據(jù)zxid的順序向所有的
follower分發(fā)事務(wù)proposal
當(dāng)follower收到leader的proposal時，根據(jù)接收的先后順序處理proposal
當(dāng)Leader收到follower針對某個proposal過半的ack后，則發(fā)起事務(wù)提交，重新發(fā)起一個commit的
proposal
Follower收到commit的proposal后，記錄事務(wù)提交，并把數(shù)據(jù)更新到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫
補充說明
由于只有過半的機器給出反饋，則可能存在某時刻某些節(jié)點數(shù)據(jù)不是最新的
如果需要確定讀取到的數(shù)據(jù)是最新的，則可以在讀取之前，調(diào)用sync方法進行數(shù)據(jù)同步

6.小結(jié)

在zookeeper中，除了watcher機制，會話管理，最重要的就是選舉了。它是zookeeper集群的核心，也是廣泛應(yīng)用在商業(yè)中的前提。洋洋灑灑一大篇，可能存在一些不足，后面更加深入理解再來補充吧。

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品味Zookeeper之選舉及數(shù)據(jù)一致性

品味Zookeeper之選舉及數(shù)據(jù)一致性

品味Zookeeper之選舉及數(shù)據(jù)一致性

前言

1.ZAB協(xié)議

1.1 概念理解

1.2 ZAB協(xié)議三個階段

2.Zookeeper服務(wù)器

2.1 zk服務(wù)器角色

2.2 zk服務(wù)器狀態(tài)

2.3 zk服務(wù)器通信

3.選舉機制

3.1 選舉算法

3.2 何時觸發(fā)選舉

3.3 如何成為Leader

3.4 重要的zxid

3.5 選舉算法源碼分析及舉栗子

3.5.1 舉栗子

3.5.1 選舉算法源碼分析

3.數(shù)據(jù)同步機制

3.1 同步準(zhǔn)備

3.1.1 Leader準(zhǔn)備

3.1.2 Follower準(zhǔn)備

3.2 同步初始化

4.數(shù)據(jù)同步場景

5.廣播流程

6.小結(jié)

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1.1 概念理解

1.2 ZAB協(xié)議三個階段

2.Zookeeper服務(wù)器

2.1 zk服務(wù)器角色

2.2 zk服務(wù)器狀態(tài)

2.3 zk服務(wù)器通信

3.選舉機制

3.1 選舉算法

3.2 何時觸發(fā)選舉

3.3 如何成為Leader

3.4 重要的zxid

3.5 選舉算法源碼分析及舉栗子

3.5.1 舉栗子

3.5.1 選舉算法源碼分析

3.數(shù)據(jù)同步機制

3.1 同步準(zhǔn)備

3.1.1 Leader準(zhǔn)備

3.1.2 Follower準(zhǔn)備

3.2 同步初始化

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