ZooKeeper是一個(gè)分布式的，開(kāi)放源碼的分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù)，它包含一個(gè)簡(jiǎn)單的原語(yǔ)集，分布式應(yīng)用程序可以基于它實(shí)現(xiàn)同步服務(wù)，配置維護(hù)和命名服務(wù)等。Zookeeper是hadoop的一個(gè)子項(xiàng)目，其發(fā)展歷程無(wú)需贅述。在分布式應(yīng)用中，由于工程師不能很好地使用鎖機(jī)制，以及基于消息的協(xié)調(diào)機(jī)制不適合在某些應(yīng)用中使用，因此需要有一種可靠的、可擴(kuò)展的、分布式的、可配置的協(xié)調(diào)機(jī)制來(lái)統(tǒng)一系統(tǒng)的狀態(tài)。Zookeeper的目的就在于此。本文簡(jiǎn)單分析zookeeper的工作原理，對(duì)于如何使用zookeeper不是本文討論的重點(diǎn)。

1 Zookeeper的基本概念

1.1 角色

Zookeeper中的角色主要有以下三類(lèi)，如下表所示：

1.2 設(shè)計(jì)目的

1.最終一致性：client不論連接到哪個(gè)Server，展示給它都是同一個(gè)視圖，這是zookeeper最重要的性能。

2 .可靠性：具有簡(jiǎn)單、健壯、良好的性能，如果消息m被到一臺(tái)服務(wù)器接受，那么它將被所有的服務(wù)器接受。

3 .實(shí)時(shí)性：Zookeeper保證客戶(hù)端將在一個(gè)時(shí)間間隔范圍內(nèi)獲得服務(wù)器的更新信息，或者服務(wù)器失效的信息。但由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等原因，Zookeeper不能保證兩個(gè)客戶(hù)端能同時(shí)得到剛更新的數(shù)據(jù)，如果需要最新數(shù)據(jù)，應(yīng)該在讀數(shù)據(jù)之前調(diào)用sync()接口。

4 .等待無(wú)關(guān)（wait-free）：慢的或者失效的client不得干預(yù)快速的client的請(qǐng)求，使得每個(gè)client都能有效的等待。

5.原子性：更新只能成功或者失敗，沒(méi)有中間狀態(tài)。

6 .順序性：包括全局有序和偏序兩種：全局有序是指如果在一臺(tái)服務(wù)器上消息a在消息b前發(fā)布，則在所有Server上消息a都將在消息b前被發(fā)布；偏序是指如果一個(gè)消息b在消息a后被同一個(gè)發(fā)送者發(fā)布，a必將排在b前面。

2 ZooKeeper的工作原理

Zookeeper的核心是原子廣播，這個(gè)機(jī)制保證了各個(gè)Server之間的同步。實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制的協(xié)議叫做Zab協(xié)議。Zab協(xié)議有兩種模式，它們分別是恢復(fù)模式（選主）和廣播模式（同步）。當(dāng)服務(wù)啟動(dòng)或者在領(lǐng)導(dǎo)者崩潰后，Zab就進(jìn)入了恢復(fù)模式，當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者被選舉出來(lái)，且大多數(shù)Server完成了和leader的狀態(tài)同步以后，恢復(fù)模式就結(jié)束了。狀態(tài)同步保證了leader和Server具有相同的系統(tǒng)狀態(tài)。

為了保證事務(wù)的順序一致性，zookeeper采用了遞增的事務(wù)id號(hào)（zxid）來(lái)標(biāo)識(shí)事務(wù)。所有的提議（proposal）都在被提出的時(shí)候加上了zxid。實(shí)現(xiàn)中zxid是一個(gè)64位的數(shù)字，它高32位是epoch用來(lái)標(biāo)識(shí)leader關(guān)系是否改變，每次一個(gè)leader被選出來(lái)，它都會(huì)有一個(gè)新的epoch，標(biāo)識(shí)當(dāng)前屬于那個(gè)leader的統(tǒng)治時(shí)期。低32位用于遞增計(jì)數(shù)。

每個(gè)Server在工作過(guò)程中有三種狀態(tài)：

• LOOKING：當(dāng)前Server不知道leader是誰(shuí)，正在搜尋
• LEADING：當(dāng)前Server即為選舉出來(lái)的leader
• FOLLOWING：leader已經(jīng)選舉出來(lái)，當(dāng)前Server與之同步

2.1 選主流程

當(dāng)leader崩潰或者leader失去大多數(shù)的follower，這時(shí)候zk進(jìn)入恢復(fù)模式，恢復(fù)模式需要重新選舉出一個(gè)新的leader，讓所有的Server都恢復(fù)到一個(gè)正確的狀態(tài)。Zk的選舉算法有兩種：一種是基于basic paxos實(shí)現(xiàn)的，另外一種是基于fast paxos算法實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)默認(rèn)的選舉算法為fast paxos。先介紹basic paxos流程：

1. 1 .選舉線程由當(dāng)前Server發(fā)起選舉的線程擔(dān)任，其主要功能是對(duì)投票結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并選出推薦的Server；
2. 2 .選舉線程首先向所有Server發(fā)起一次詢(xún)問(wèn)(包括自己)；
3. 3 .選舉線程收到回復(fù)后，驗(yàn)證是否是自己發(fā)起的詢(xún)問(wèn)(驗(yàn)證zxid是否一致)，然后獲取對(duì)方的id(myid)，并存儲(chǔ)到當(dāng)前詢(xún)問(wèn)對(duì)象列表中，最后獲取對(duì)方提議的leader相關(guān)信息(id,zxid)，并將這些信息存儲(chǔ)到當(dāng)次選舉的投票記錄表中；
4. 4.  收到所有Server回復(fù)以后，就計(jì)算出zxid最大的那個(gè)Server，并將這個(gè)Server相關(guān)信息設(shè)置成下一次要投票的Server；
5. 5.  線程將當(dāng)前zxid最大的Server設(shè)置為當(dāng)前Server要推薦的Leader，如果此時(shí)獲勝的Server獲得n/2 + 1的Server票數(shù)， 設(shè)置當(dāng)前推薦的leader為獲勝的Server，將根據(jù)獲勝的Server相關(guān)信息設(shè)置自己的狀態(tài)，否則，繼續(xù)這個(gè)過(guò)程，直到leader被選舉出來(lái)。

通過(guò)流程分析我們可以得出：要使Leader獲得多數(shù)Server的支持，則Server總數(shù)必須是奇數(shù)2n+1，且存活的Server的數(shù)目不得少于n+1.

每個(gè)Server啟動(dòng)后都會(huì)重復(fù)以上流程。在恢復(fù)模式下，如果是剛從崩潰狀態(tài)恢復(fù)的或者剛啟動(dòng)的server還會(huì)從磁盤(pán)快照中恢復(fù)數(shù)據(jù)和會(huì)話信息，zk會(huì)記錄事務(wù)日志并定期進(jìn)行快照，方便在恢復(fù)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)。選主的具體流程圖如下所示：

2.2 同步流程

選完leader以后，zk就進(jìn)入狀態(tài)同步過(guò)程。

1. 1. leader等待server連接；
2. 2 .Follower連接leader，將最大的zxid發(fā)送給leader；
3. 3 .Leader根據(jù)follower的zxid確定同步點(diǎn)；
4. 4 .完成同步后通知follower 已經(jīng)成為uptodate狀態(tài)；
5. 5 .Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)了。

流程圖如下所示：

2.3 工作流程

2.3.1 Leader工作流程

Leader主要有三個(gè)功能：

1. 1 .恢復(fù)數(shù)據(jù)；
2. 2 .維持與Learner的心跳，接收Learner請(qǐng)求并判斷Learner的請(qǐng)求消息類(lèi)型；
3. 3 .Learner的消息類(lèi)型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根據(jù)不同的消息類(lèi)型，進(jìn)行不同的處理。

PING消息是指Learner的心跳信息；REQUEST消息是Follower發(fā)送的提議信息，包括寫(xiě)請(qǐng)求及同步請(qǐng)求；ACK消息是Follower的對(duì)提議的回復(fù)，超過(guò)半數(shù)的Follower通過(guò)，則commit該提議；REVALIDATE消息是用來(lái)延長(zhǎng)SESSION有效時(shí)間。
Leader的工作流程簡(jiǎn)圖如下所示，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，流程要比下圖復(fù)雜得多，啟動(dòng)了三個(gè)線程來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。

2.3.2 Follower工作流程

Follower主要有四個(gè)功能：

1. 1. 向Leader發(fā)送請(qǐng)求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
2. 2 .接收Leader消息并進(jìn)行處理；
3. 3 .接收Client的請(qǐng)求，如果為寫(xiě)請(qǐng)求，發(fā)送給Leader進(jìn)行投票；
4. 4 .返回Client結(jié)果。

Follower的消息循環(huán)處理如下幾種來(lái)自Leader的消息：

1. 1 .PING消息： 心跳消息；
2. 2 .PROPOSAL消息：Leader發(fā)起的提案，要求Follower投票；
3. 3 .COMMIT消息：服務(wù)器端最新一次提案的信息；
4. 4 .UPTODATE消息：表明同步完成；
5. 5 .REVALIDATE消息：根據(jù)Leader的REVALIDATE結(jié)果，關(guān)閉待revalidate的session還是允許其接受消息；
6. 6 .SYNC消息：返回SYNC結(jié)果到客戶(hù)端，這個(gè)消息最初由客戶(hù)端發(fā)起，用來(lái)強(qiáng)制得到最新的更新。

Follower的工作流程簡(jiǎn)圖如下所示，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，F(xiàn)ollower是通過(guò)5個(gè)線程來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的。