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:
- LOOKING:当前Server不知道leader是谁,正在搜寻
- LEADING:当前Server即为选举出来的leader
- 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:
- 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;
- 选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己);
- 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;
- 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;
- 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:
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:
同步流程
选完leader以后,zk就进入状态同步过程。
- leader等待server连接;
- Follower连接leader,将最大的zxid发送给leader;
- Leader根据follower的zxid确定同步点;
- 完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态;
- 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:
工作流程
Leader工作流程
Leader主要有三个功能:
- 恢复数据;
- 维持与Learner的心跳,接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型;
- 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。
Follower工作流程
Follower主要有四个功能:
- 向Leader发送请求(PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息);
- 接收Leader消息并进行处理;
- 接收Client的请求,如果为写请求,发送给Leader进行投票;
- 返回Client结果。
Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息:
- PING消息: 心跳消息;
- PROPOSAL消息:Leader发起的提案,要求Follower投票;
- COMMIT消息:服务器端最新一次提案的信息;
- UPTODATE消息:表明同步完成;
- 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;
- 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。
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。