第三篇：zookeeper 原理

一、zookeeper的角色

1. 领导者（leader）: 负责进行投票的发起和决议，更新系统状态。

2. 学习者（learner）: 包括跟随者是（follower）和观察者（observer）。

3. 跟随者（follower）: 用于接受客户端的请求并向客户端返回结果，在选主的过程中参与投票。

4. 观察者（observer）: 可以接受客户端连接，将写入请求转发给leader，但observer不参加投票过程，只同步leader的状态，observer的目的是为了扩展系统，提高读取速度。

5. 客户端（client）: 请求发起方。

二、选举机制

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，它们分别是回复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者领导者崩溃后，Zab就进入恢复模式，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，标识当前属于哪个leader的统治时期。低32位用于递增计数。

每个Server工作过程中有三个状态：

LOOKING : 当前Server不知道leader是谁，正在搜寻。

LEADING : 当前Server即为选出来的leader。

FOLLOWING : leader已经选举出来，当前Server与之同步。

假设有五台服务器组成的Zookeeper集群，它们的id从1-5，同时它们都是最新启动的，也就是没有历史数据，在存放数据量这一点上，都是一样的。假设这些服务器依序启动，来看看会发生什么，如图所示。

1. 服务器1启动，此时只有它一台服务器启动了，它发出去的报文没有任何响应，所以它的选举状态一直是LOOKING状态。

2. 服务器2启动，它与最开始启动的服务器1进行通信，互相交换自己的选举结果，由于两者都没有历史数据，所以id值较大的服务器2胜出，但是由于没有达到超过半数以上的服务器都同意选举它(这个例子中的半数以上是3)，所以服务器1、2还是继续保持LOOKING状态。

3. 服务器3启动，根据前面的理论分析，服务器3成为服务器1、2、3中的老大，而与上面不同的是，此时有三台服务器选举了它，所以它成为了这次选举的Leader。

4. 服务器4启动，根据前面的分析，理论上服务器4应该是服务器1、2、3、4中最大的，但是由于前面已经有半数以上的服务器选举了服务器3，所以它只能接收当小弟的命了。

5. 服务器5启动，同4一样当小弟。

三、节点结构

四、节点类型

Znode有两种类型，短暂的（ephemeral）和 持久的（persistent）。

Znode的类型在创建时确定并且之后不能修改。

短暂Znode的客户端会话结束时，zookeeper会将该短暂znode删除，短暂znode不可以有子节点。

持久Znode不依赖于客户端会话，只有当客户端明确要删除该持有化Znode时才会删除。

Znode有四种形式的目录节点

PERSISITENT

EPHEMERAL

PERSISITENT_SEQUENTIAL

EPHEMERAL_SEQUENTIAL

五、写数据流程

1. Client 向 ZooKeeper 的 Server1 上写数据，发送一个写请求。

2. 如果Server1不是Leader，那么Server1 会把接受到的请求进一步转发给Leader，因为每个ZooKeeper的Server里面有一个是Leader。这个Leader 会将写请求广播给各个Server，比如Server1和Server2，各个Server写成功后就会通知Leader。

3. 当Leader收到大多数 Server 数据写成功了，那么就说明数据写成功了。如果这里三个节点的话，只要有两个节点数据写成功了，那么就认为数据写成功了。写成功之后，Leader会告诉Server1数据写成功了。

4. Server1会进一步通知 Client 数据写成功了，这时就认为整个写操作成功。

六、观察（watcher）

Watcher 在 Zookeeper 是一个核心功能，Watcher可以监控目录节点的数据变化以及子目录的变化，一单这些状态发生变化，服务器就会通知所有设置在这个目录节点上的Watcher，从而每个客户端都很快知道它所关注的状态发生变化，而做出相应的反应。

可以设置观察的操作：exists、getChildren、getData

可以出发观察的操作：create、delete、setData

监听原理详解：