ZooKeeper 的工作原理

男娘i 2022-01-20 05:15 228阅读 0赞

## 说明 ##

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（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的状态同步以后，恢复模式就结束了。状态同步保证了leader和Server具有相同的系统状态。

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。

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。

每个Server在工作过程中有三种状态：

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

## 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，恢复模式需要重新选举出一个新的leader，让所有的 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）。

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.  选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；
3.  选举线程收到回复后，验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致)，然后获取对方的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.  收到所有Server回复以后，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，如果此时获胜的Server获得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相关信息设置自己的状态，否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。

通过流程分析我们可以得出：要使Leader获得多数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.

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

选主的具体流程图如下所示：

![图1简介][1]

fast paxos流程是在选举过程中，某Server首先向所有Server提议自己要成为leader，当其它Server收到提议以后，解决epoch和 zxid的冲突，并接受对方的提议，然后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后一定能选举出Leader。

其流程图如下所示：

![图2简介][2]

## 同步流程 ##

选完leader以后，zk就进入状态同步过程。

1.  leader等待server连接；
2.  Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；
3.  Leader根据follower的zxid确定同步点；
4.  完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；
5.  Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。

流程图如下所示：

![图3简介][3]

## 工作流程 ##

### Leader工作流程 ###

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，根据不同的消息类型，进行不同的处理。

*  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通过，则commit该提议；
 *  REVALIDATE消息：是用来延长SESSION有效时间。

Leader的工作流程简图如下所示，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。

![图4简介][4]

### Follower工作流程 ###

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，如果为写请求，发送给Leader进行投票；
4.  返回Client结果。

Follower的消息循环处理如下几种来自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：表明同步完成；
5.  REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；
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，用来强制得到最新的更新。

Follower的工作流程简图如下所示，在实际实现中，Follower是通过5个线程来实现功能的。

![图5简介][5]

对于observer的流程不再叙述，observer流程和Follower的唯一不同的地方就是observer不会参加leader发起的投票。

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[2]: /images/20220120/ca9301a07adf471a8cb50eebb12df1c8.png
[3]: /images/20220120/ff7fd3eaff8245bfb9feff0f35faefb6.png
[4]: /images/20220120/b991d1f28f9e4e30aa50343ac3957a22.png
[5]: /images/20220120/763ec24781114df481637f548576c2bf.png