蚂蚁面试官：Zookeeper 的选举流程是怎样的？我当场懵逼了。。。

た入场券 2022-08-28 05:46 114阅读 0赞

栈长面试经常会遇到面试官问 Zookeeper 的选举原理，我心想，问这些有啥用吗？又不要我造火箭！

每次面试也只知道个大概，并没有深究具体的流程，所以在面试的时候总是不能打动面试官，总是特别吃亏，所以这篇就总结一下其中的要点，也希望能帮助大家搞定面试。

有一说一， Zookeeper 这些工作原理、选举流程，也许大多数人在工作中不会用到，但了解多一点也是自己的优势，避免求职面试被面试官打压工资。Zookeeper 也是现在后端主流的分布式协调框架，很多热门框架都有直接或者间接依赖它，比如：Dubbo、Elastic Job、Kafka 等，所以掌握 ZK 选举流程也是非常有必要的。

本文会以通俗易懂的方式进行， ZK 小白也能看懂。另外，我也将 Zookeeper 系列主流面试题和参考答案都整理好了，关注公众号Java技术栈回复关键字 "面试" 进行刷题。

## 基本概念 ##

了解选举前你得了解一些 Zookeeper 的基本概念。

#### 集群机器 ID ####

集群机器 ID 是指 myid，它是每一个集群机器中的编号文件，代表 ZooKeeper 集群服务器的标识，手动生成，全局全一。

#### 事务 ID ####

事务 ID 是指 zxid，Zookeeper 会给每个更新请求分配一个事务 ID，它是一个 64 位的数字，由 Leader 统一进行分配，全局唯一，不断递增，在一个节点的状态信息中可以查看到最新的事务 ID 信息。

#### 集群服务器角色 ####

Zookeeper 集群服务器有以下 3 种角色：

1、Leader（主）

2、Follower（从，参与投票）

3、Observer（观察者，不参与投票）

#### 集群服务器状态 ####

Zookeeper 集群服务器有以下 4 种状态：

**1、LOOKING**

寻找 Leader 状态，当服务器处于该状态时，表示当前集群没有 Leader，因此会进入 Leader 选举状态。

**2、FOLLOWING**

跟随者状态，表示当前服务器角色是 Follower。

**3、LEADING**

领导者状态，表示当前服务器角色是 Leader。

**4、OBSERVING**

观察者状态，表示当前服务器角色是 Observer。

#### **选举方式** ####

Zookeeper 提供了 3 种选举方式：

*  LeaderElection
 *  AuthFastLeaderElection
 *  **FastLeaderElection （最新默认）**

#### 选举场景 ####

Zookeeper 会在以下场景进行选举：

1、Zookeeper 集群启动初始化时进行选举

2、Zookeeper 集群 Leader 失联时重新选举

#### 选举前提条件 ####

**1、Zookeeper 服务器处于 LOOKING 竞选状态**

此时说明 Zookeeper 服务器集群处于群龙无首状态，另外，观察者状态不能参与竞选投票。

**2、Zookeeper 集群规模至少要 3 台机器或以上**

集群规则为：2N + 1台，N > 0，即最少需要 3 台，因为 ZK 集群的机制是只要超过半数的节点正常，集群就能正常提供服务。只有在 ZK 节点挂得太多，只剩一半或不到一半节点能工作时，集群才会失效。

**如以下分析所示：**

> 3 个节点的 Cluster 可以挂掉 1 个节点（Leader 可以得到 2 票 > 1.5)
> 
> 2 个节点的 Cluster 就不能挂掉任何 1 个节点了（Leader 可以得到 1 票 <= 1)

所以你知道 ZK 集群为什么至少要 3 台了吧？

**3、Zookeeper 集群要 2 台及以上机器可以互相通信**

只要达到 2 台服务器通信了才能进行选举，只有一台服务器启动时无法进行选举，因为服务器之间通信了才可以互相同步投票结果。

## 选举流程 ##

### 1、集群初始选举 ###

Zookeeper 在集群启动时会进行选举，这里拿 3 台服务器进行举例：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>server</th> 
   <th>myid</th> 
   <th>zxid</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>zk1</td> 
   <td>1</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>zk2</td> 
   <td>2</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>zk3</td> 
   <td>3</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

依次启动 3 台服务器 zk1, zk2, zk3，初始情况下事务 ID 都为 0。

#### 选举大致流程： ####

**1、初始投票**

服务器启动后，每个 Server 都会给自己投上一票，每次投票会包含所投票服务器的 myid 和 zxid，这里使用 Server（myid, zxid）的方式表示，此时的投票结果为：zk1（1, 0），zk2（2, 0），zk3（3, 0）

**2、同步投票结果**

集群中的服务器在投票后，会将各自的投票结果同步给集群中其他服务器。

**3、检查投票有效性**

各服务器在收到投票后会检查投票的有效性，如：是否本轮投票，是否来自 LOOKING 状态的服务器的投票等。

**4、处理投票**

服务器之间会进行投票比对，规则如下：

*  优先检查 zxid，较大的服务器优先作为 Leader
 *  如果 zxid 相同，则 myid 较大的服务器作为 Leader

如：zk1 和 zk2 进行比对，此时 zk2 胜出，zk1 更新自己的投票为：zk1（2, 0）

**5、统计投票结果**

每轮投票比对之后都会统计投票结果，确认是否有超过半数的机器都得到相同的投票结果，如果是，则选出 Leader，否则继续投票。

本轮选举中，zk1 和 zk2 都得到了相同的投票结果（2, 0），2 指 zk2，并且超过了半数的机器（2 > 3 / 2），所以此时 zk2 就成为了本轮选举的 Leader。

所以，即使 zk3 启动了，因为集群已经有了 Leader，所以选举也结束了，zk3 不再参与选举，后面进来的都是小弟。

**6、更改服务器状态**

一旦选出 Leader，每个服务器就会各自更新自己的状态：

zk1 >>> FOLLOWING
    
    zk2 >>> LEADING
    
    Zk3 >>> FOLLOWING

### 2、集群重新选举 ###

Zookeeper 集群运行期间无法和 Leader 保持正常连接时，即如果 Leader 挂了，或者 Leader 服务器故障都会进行新一轮的 Leader 选举。

这里还是拿 3 台服务器进行举例：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>server</th> 
   <th>myid</th> 
   <th>zxid</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>zk1（Follower）</td> 
   <td>1</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>zk2（Leader）</td> 
   <td>2</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>zk3（Follower）</td> 
   <td>3</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

如果作为初始选举的 Leader zk2 挂了，集群就会暂停对外提供服务，从而进行新的 Leader 选举。

#### **选举大致过程：** ####

**1、状态变更**

既然过去的老大 Leader 不可用了，那所有的 Follower 服务器就需要从 FOLLOWING 状态变更为：LOOKING，开始新的一轮 Leader 选举。

**2、开始投票**

*投票逻辑和启动初始时一致。*

zk1, zk3 第一轮投票默认还是会先投给自己，zk2 挂了不能进行投票。

第一轮投票结果为：zk1（1, 66）、zk3（3, 28），zk1 和 zk3 各得一票，这里假设 zk1 事务 ID 比 zk3 更大一点。

**3、同步投票结果**

*同步投票逻辑和启动初始时一致。*

**4、检查投票有效性**

*检查投票逻辑和启动初始时一致。*

**5、处理投票**

*处理投票逻辑和启动初始时一致。*

此时 zk1 和 zk3 进行比对，根据规则，由于 zk1 的事务 ID 更大一点，所以 zk1 胜出，zk3 也更新自己的投票为：zk3（1, 28）

**6、统计投票结果**

*统计投票逻辑和启动初始时一致。*

本轮选举中，zk1 和 zk3 都得到了相同的投票结果 zk1，并且超过了半数的机器（2 > 3 / 2），所以此时 zk1 就成为了本轮选举的 Leader。

**7、更改服务器状态**

*更改状态逻辑和启动初始时一致。*

## 总结 ##

所以，我们可以总结下，Zookeeper 集群按 myid 从小到大依次启动初始化时，在超过半数机器的投票的情况下，谁的 myid 最大，谁就是 Leader，知道这个定律，不同的集群规模我们都可以推算出谁是 Leader。

**集群初始化时：**

1）集群有 3 台机器，第 2 大的 myid 所在服务器就是 Leader；

2）集群有 4 台机器，第 3 大的 myid 所在服务器就是 Leader；

3）集群有 5 台机器，第 3 大的 myid 所在服务器就是 Leader；

3）集群有 6 台机器，第 4 大的 myid 所在服务器就是 Leader；

.....

**集群重新选举时，根据 myid 和 zxid 的大小共同决断，zxid 更大的优先成为 Leader。**

总之，谁得到半数以上的服务器支持，谁就是老大，Zookeeper 选举流程你看懂了吗？这只是粗略版的选举流程，实际选举过程要更复杂，有兴趣的可以深入研究下源码。

好了，今天的分享就到这里了，后面栈长会分享更多好玩的 Java 技术和最新的技术资讯，关注公众号Java技术栈第一时间推送，我也将主流 Zookeeper 面试题和参考答案都整理好了，在公众号后台回复关键字 "面试" 进行刷题。

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