一文通吃：从 ZooKeeper 一致性，Leader选举讲到 ZAB 协议与 PAXOS 算法（上）

一文通吃：从 ZooKeeper 一致性，Leader选举讲到 ZAB 协议与 PAXOS 算法（上）

目录

一、ZooKeeper集群保证数据一致性
    （一）一致性
    （二）zookeeper保证数据一致性的协议
二、Zookeeper集群Leader选举
    （一）ZooKeeper集群中三种类型的节点
    （二）ZAB 中的节点有四种状态
    （三）Leader选举过程
三、ZAB协议
    （一）ZAB 协议 ZXID 是如何生成的
    （二）ZAB协议——崩溃恢复模式
    （三）ZAB协议——消息广播模式
四、Paxos算法
    （一）关于ZAB协议中Leader的单点问题
    （二）Paxos是什么
    （三）问题背景
    （四）相关概念
    （五）Paxos算法处理过程
    （六）总结：Paxos算法

本文将从ZooKeeper集群如何保证一致性，讲到zookeeper保证数据一致性的协议，然后展开讲Zookeeper集群Leader选举，包括集群三种节点的类型，ZAB协议中节点的四种状态，以及两种情况下Leader选举的过程。然后会详细展开讲解ZAB协议，包括ZAB协议中ZXID的结构，ZAB协议的两个重点，崩溃恢复模式和消息广播模式。然后会通过一个例子来说明ZAB协议中Leader的单点问题，进而引出Paxos算法。文章会分为上下两个篇章，本文为第一部分。

ZooKeeper集群保证数据一致性

首先我们先来了解一下，关于一致性问题。

一致性

我们用集群是为了提高整个系统的可用性，就是即使少数节点挂掉的话，整个集群还是可以去提供服务的。好，zookeeper集群每一个节点上面，它存储的数据都是全量的数据，也就是它们之间，每一台上面存储的数据都是同一份数据，而我们前面也提到，集群中它每个节点都可以去提供读取服务，所以这样的话，就得保证多个节点之间，它们的数据是一致的，才不会出现连接不同节点读取到不同的值是吧，也就是我们需要去保证集群节点间数据的一致性。那么接下来我们就来看一下，zookeeper集群是如何去做到这一点的，就是如何去做节点间数据的同步

zookeeper保证数据一致性的协议

而在我们的zookeeper中保证数据一致性用的是ZAB协议。通过这个协议来进行ZooKeeper集群间的数据同步，保证数据的一致性。

我们先来简单看一下zab协议是工作流程（图）：

ZooKeeper写数据的机制是客户端把写请求发送到leader节点上，如果发送的是follower节点，follower节点会把写请求转发到leader节点，leader节点会把数据通过proposal请求发送到所有节点，包括自己，所有到节点接受到数据以后都会写到自己到本地磁盘上面，写好了以后会发送一个ack请求给leader，leader只要接受到过半的节点发送ack响应回来，就会发送commit消息给各个节点，各个节点就会把消息放入到内存中，放内存是为了保证高性能，该消息就会用户可见了。

那这个时候，若ZooKeeper要想保证数据一致性，就需考虑如下两个情况

• 情况一：leader执行commit了，还没来得及给follower发送commit的时候，leader宕机了，这个时候如何保证消息一致性？
• 情况二：leader的事务性请求已经在部分节点应用了，这个时候leader挂掉了，如何保证消息一致性？

如果是Leader故障，事务型请求未提交的情况，也就是只在Leader服务器上提出但没有提交的操作的操作需要丢弃掉。因为实际上它只是完成了第一阶段。

Leader故障，事务型请求已提交的情况，也就是已在Leader服务器上提交的操作最终被所有的服务器节点都提交。等后面讲到ZAB协议，概念就更清晰了，在某个节点提交应用成功，那这个节点的zxid肯定更大，决定它会被选举为新的leader。然后再进行同步。

Zookeeper集群Leader选举

ZooKeeper集群中三种类型的节点

集群在运行过程中，节点发生故障时，这个集群是如何来应对的？

ZooKeeper中三种类型的节点是吧，我们逐个类型来看一下：

• Observer节点，这种节点它只是为了提升读性能，并不会参与到任何决策过程，所以，就算它挂了，也是不会影响集群的正常运行的。
• Follower节点，如果是少数节点挂了的话，就是没超过半数的话，那也不会影响，那如果故障节点超过半数的话，这个时候就没办法了，需要把节点恢复起来之后才可以运行
• Leader节点，通过前面的学习我们也知道，这个Leader在整个集群中起着至关重要的作用，整个集群的协调工作都是由它来发起的，所以这个时候假如Leader挂掉了，整个集群也没办法正常运行，就不是有没有超过半数的问题了。

所以当Leader节点挂掉之后，就需要尽快从可用的节点中再来选出一个节点来当新的Leader，才能让集群恢复可用。那这里怎么选新的Leader，就是一个需要解决的问题了。我们想一下，可以简单的从剩下的Follower节点随便选一个来当新的领导吗？我们可以想一下这个场景：

Leader故障，事务型请求已提交

，在这个场景中，我们这Follower节点的状态明显是不一样的，所以当时我们也说了，这个场景下，ZooKeeper集群是有机制去保证让这个Server1当上新领导的。这里就涉及到了ZooKeeper集群的Leader选举算法了，这个算法对ZooKeeper集群去保证可用性和数据一致性是非常重要的，那么我们就来详细看一下，这个算法它具体是什么样的一个处理过程。

那么在开始分析算法之前，我们先来看一下集群中节点的几种状态，因为整个选举的过程，会涉及到这几个状态的流转。

ZAB 中的节点有四种状态

• looking：节点处于选举状态
• following：当前节点是跟随者，服从 leader 节点的命令，后面它是会参与投票的
• Obsering：观察状态，同步leader状态，但是不参与投票
• leading：当前节点是 leader，负责协调事务

Leader选举过程

好，接下来我们来看一下Leader的选举过程，那么对于Zookeeper集群来说，当出现以下两种情况的时候，就需要进行Leader选举：

1. 集群启动期间Leader选举
2. 集群运行期间Leader故障

然后整个Leader选举的过程，就是一个投票的过程，然后当某一个节点，它接收到超过半数节点的选票的话，就可以认为它当选Leader了。但是这里要投给谁，其实还是有讲究的。

那么我们可以想一下比如我们在选村长的时候，一般我们就看谁能力大是吧，谁能力大就投给谁，然后如果能力差不多，可能就会选年纪大一点的，德高望重嘛。好那在ZooKeeper集群选举里面，当一个节点要决定这个选票要投给谁的时候，会根据两个重要的ID来进行判断：

1. 首先是看事务ID（zxid），哪个服务器上的事务ID最大，就投给哪个。【对应这个场景：Leader故障，事务型请求已提交】
2. 那么当两个节点事务ID一样的话，就会看节点编号，也就是myid里面存的编号，哪个大投给哪个

好有了投票标准之后，就可以来开始选举了，但是选举的时候，可能会有不止一轮的投票，同样跟我们选村长一样一般也会有多轮投票，那这种情况下，前一轮的选票，到下一轮的话，就应该变成无效选票了是吧。

而在ZooKeeper里面，它同样有这个轮次的概念，就是每一次投票它其实是有时间限制的【syncLimit：集群中的follower服务器与leader服务器之间请求和应答之间能容忍的最多心跳数(tickTime的数量)。】，如果当前投出去的票，没有收到反馈，那么在等待一段时间后，就当作超时处理，这个时候就可以发起一下轮的投票，诶但是有可能，上一轮的反馈它是因为网络延迟的问题，这个时候才收到，那么因为现在已经是开始了下一轮了，所以这个也只能当做无效选票处理了。

图：投票响应超时则进入下一轮

选举算法

好 有了这些选举的标准和规则之后，就可以来开始选举了，选举算法：

1. 首先每个节点均发起选举自己为领导者的投票（自己的投给自己）；因为刚开始也不知道哪个节点的事务ID最大，所以就先给自己一票再说，接着就给其它节点发消息来拉票，拉票的时候，像在选举的时候一样，拉票的时候就会说自己能力多牛，那么这里也一样，它会把当前节点上最大的事务ID给带过去
2. 其它节点收到拉票请求时，就会比较发起者的事务ID，是否比自己最新的事务ID大，如果比自己的ID大，那好就给它投一票吧，否则就不投给它了。那如果事务ID相等的话，则比较发起者的服务器编号。这一点呢我们前面也说到过，就像选举的时候，先看一下能力谁强，再看一下谁的年纪大。
3. 然后经过每一轮的投票之后，就看有没有哪个节点，它获得的票数（含自己的）大于集群的半数，有的话就说明这个节点竞选成功，成为了Leader节点，未超过半数且领导者未选出，则再次发起投票。

集群启动期间Leader选举

我们现在看第一种服务器启动时候对leader选举 我们来看一下这张图

假设一个 Zookeeper 集群中有5台服务器，id从1到5编号，并且它们都是最新启动的，没有历史数据

假设服务器依次启动，我们来分析一下选举过程：

服务器1启动

服务器1启动，发起一次选举，服务器1投自己一票，此时服务器1票数一票，不够半数以上，要大于等于3票，选举无法完成。 所以，这个时候对投票结果：服务器1为1票。

服务器1状态保持为LOOKING。

服务器2启动

服务器2启动，也发起一次选举，服务器1和2分别投自己一票，此时服务器1发现服务器2的服务id比自己大，更改选票投给服务器2。 所以投票结果：服务器1为0票，服务器2为2票。

服务器1，2状态保持LOOKING

服务器3启动

服务器3也启动了，同时也发起一次选举，服务器1、2、3先投自己一票，然后因为服务器3的服务器id最大，两者更改选票投给为服务器3；

这时候，投票结果为：服务器1为0票，服务器2为0票，服务器3为3票。此时服务器3的票数已经超过半数，服务器3当选Leader。

服务器1，2更改状态为FOLLOWING，服务器3更改状态为LEADING

服务器4启动

服务器4启动，也加入进来，发起一次选举，此时服务器1，2，3已经不是LOOKING 状态，不会更改选票信息。交换选票信息结果：服务器3为3票，服务器4为1票。此时服务器4服从多数，更改选票信息为服务器3。

服务器4并更改状态为FOLLOWING。

服务器5启动

与服务器4一样投票给3，此时服务器3一共5票，服务器5为0票。

服务器5并更改状态为FOLLOWING。

最终的结果：

服务器3是 Leader，状态为 LEADING；其余服务器是 Follower，状态为 FOLLOWING。

好，这就是服务器初始化启动时候的选举过程。

服务器运行期间 Leader 故障

那么，我们继续来看一下第二种选举过程，服务器运行期间 Leader 故障。

我们来看一下这个场景：

在 Zookeeper运行期间 Leader 和 follower 各司其职，当有follower 服务器宕机或加入不会影响 Leader，但是一旦 Leader 服务器挂了，那么整个 Zookeeper 集群将暂停对外服务，会触发新一轮的选举。

初始状态下服务器3当选为Leader，假设现在服务器3故障宕机了，此时每个服务器上zxid可能都不一样，server1为10，server2为12，server4为10，server5为10

运行期选举

运行期选举与初始状态投票过程基本类似，大致可以分为以下几个步骤：

• 状态变更。Leader 故障后，剩下的follower节点因为跟Leader联系不上了，这个时候它会将自己的服务器状态变更为LOOKING，然后开始进入Leader选举过程。
• 每个Server会发出投票。
• 接收来自各个服务器的投票，如果其它服务器的数据比自己的新会改投票。
• 处理和统计投票，每一轮投票结束后都会统计投票，超过半数即可当选。
• 改变服务器的状态，宣布当选

好，这里我们以这张图来说明比较好容易理解点：

1）第一次投票，每台机器都会将票投给自己。

2）接着每台机器都会将自己的投票发给其它机器，如果发现其它机器的zxid比自己大，那么就需要改投票重新投一次。比如server1 收到了三张票，发现server2的xzid为102，pk一下发现自己输了，后面果断改投票选server2为老大，同理，因为从图中很明显看到服务器2点xzxid是最大的，所以最后是服务器2当选leader服务器。

小结

简单来将，通常哪台机器服务器上的数据越新，那么越有可能成为leader，原因也很简单，数据越新，那么它的zxid也就越大，也就越能够保证数据的恢复。如果集群中有几个相同的最大的zxid，那么服务器id较大的服务器成为leader。

好，那么关于leader选举我们就了解到这里。谢谢大家。

关于ZAB协议以及PAXOS算法我们会在下一篇文章进行介绍，敬请期待。

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