面試官：說一下Zookeeper的ZAB協(xié)議链沼？

文章來源于公眾號三太子敖丙音诫，作者嚴浩

前言

Zab（Zookeeper Atomic Broadcast）是為ZooKeeper協(xié)設(shè)計的崩潰恢復(fù)原子廣播協(xié)議竣付，它保證zookeeper集群數(shù)據(jù)的一致性和命令的全局有序性。

概念介紹

在介紹zab協(xié)議之前首先要知道zookeeper相關(guān)的幾個概念，才能更好的了解zab協(xié)議忙菠。

集群角色

Leader：同一時間集群總只允許有一個Leader何鸡，提供對客戶端的讀寫功能，負責將數(shù)據(jù)同步至各個節(jié)點牛欢；
Follower：提供對客戶端讀功能骡男，寫請求則轉(zhuǎn)發(fā)給Leader處理，當Leader崩潰失聯(lián)之后參與Leader選舉傍睹；
Observer：與Follower不同的是但不參與Leader選舉隔盛。

服務(wù)狀態(tài)

LOOKING：當節(jié)點認為群集中沒有Leader，服務(wù)器會進入LOOKING狀態(tài)拾稳，目的是為了查找或者選舉Leader吮炕；
FOLLOWING：follower角色；
LEADING：leader角色访得；
OBSERVING：observer角色龙亲；

可以知道Zookeeper是通過自身的狀態(tài)來區(qū)分自己所屬的角色，來執(zhí)行自己應(yīng)該的任務(wù)悍抑。

ZAB狀態(tài)Zookeeper還給ZAB定義的4中狀態(tài)鳄炉，反應(yīng)Zookeeper從選舉到對外提供服務(wù)的過程中的四個步驟。狀態(tài)枚舉定義：

public enum ZabState {
        ELECTION,
        DISCOVERY,
        SYNCHRONIZATION,
        BROADCAST
    }

ELECTION: 集群進入選舉狀態(tài)搜骡，此過程會選出一個節(jié)點作為leader角色迎膜；
DISCOVERY：連接上leader，響應(yīng)leader心跳浆兰，并且檢測leader的角色是否更改，通過此步驟之后選舉出的leader才能執(zhí)行真正職務(wù)珊豹；
SYNCHRONIZATION：整個集群都確認leader之后簸呈，將會把leader的數(shù)據(jù)同步到各個節(jié)點，保證整個集群的數(shù)據(jù)一致性店茶；
BROADCAST：過渡到廣播狀態(tài)蜕便，集群開始對外提供服務(wù)。

ZXID

Zxid是極為重要的概念贩幻，它是一個long型（64位）整數(shù)轿腺，分為兩部分：紀元（epoch）部分和計數(shù)器（counter）部分，是一個全局有序的數(shù)字丛楚。

epoch代表當前集群所屬的哪個leader族壳，leader的選舉就類似一個朝代的更替，你前朝的劍不能斬本朝的官趣些，用epoch代表當前命令的有效性仿荆，counter是一個遞增的數(shù)字。

選舉

基礎(chǔ)概念介紹完了，下面開始介紹zab協(xié)議是怎么支持leader選舉的拢操。

進行l(wèi)eader有三個問題锦亦，什么時候進行？選舉規(guī)則令境？選擇流程杠园？

下面我會一一解答這三個問題：

選舉發(fā)生的時機Leader發(fā)生選舉有兩個時機，一個是服務(wù)啟動的時候當整個集群都沒有l(wèi)eader節(jié)點會進入選舉狀態(tài)舔庶，如果leader已經(jīng)存在就會告訴該節(jié)點leader的信息抛蚁，自己連接上leader，整個集群不用進入選舉狀態(tài)栖茉。

還有一個就是在服務(wù)運行中篮绿，可能會出現(xiàn)各種情況，服務(wù)宕機吕漂、斷電亲配、網(wǎng)絡(luò)延遲很高的時候leader都不能再對外提供服務(wù)了，所有當其他幾點通過心跳檢測到leader失聯(lián)之后惶凝，集群也會進入選舉狀態(tài)吼虎。
選舉規(guī)則進入投票選舉流程，怎么才能選舉出leader苍鲜？或者說按照什么規(guī)則來讓其他節(jié)點都能選舉你當leader思灰。
zab協(xié)議是按照幾個比較規(guī)則來進行投票的篩選，如果你的票比我更好混滔，就修改自身的投票信息洒疚，改投你當leader。

下面代碼是zookeeper投票比較規(guī)則：

        /*
         * We return true if one of the following three cases hold:
         * 1- New epoch is higher
         * 2- New epoch is the same as current epoch, but new zxid is higher
         * 3- New epoch is the same as current epoch, new zxid is the same
         *  as current zxid, but server id is higher.
         */

        return ((newEpoch > curEpoch)
                || ((newEpoch == curEpoch)
                    && ((newZxid > curZxid)
                        || ((newZxid == curZxid)
                            && (newId > curId)))));

當其他節(jié)點的紀元比自身高投它坯屿，如果紀元相同比較自身的zxid的大小油湖，選舉zxid大的節(jié)點，這里的zxid代表節(jié)點所提交事務(wù)最大的id领跛，zxid越大代表該節(jié)點的數(shù)據(jù)越完整乏德。

最后如果epoch和zxid都相等，則比較服務(wù)的serverId吠昭，這個Id是配置zookeeper集群所配置的喊括，所以我們配置zookeeper集群的時候可以把服務(wù)性能更高的集群的serverId配置大些，讓性能好的機器擔任leader角色矢棚。

選舉流程

時機和規(guī)則都有了郑什，下面就是leader的選舉流程：

image

所有節(jié)點第一票先選舉自己當leader，將投票信息廣播出去蒲肋；
從隊列中接受投票信息蹦误；
按照規(guī)則判斷是否需要更改投票信息劫拢，將更改后的投票信息再次廣播出去；
判斷是否有超過一半的投票選舉同一個節(jié)點强胰，如果是選舉結(jié)束根據(jù)投票結(jié)果設(shè)置自己的服務(wù)狀態(tài)舱沧，選舉結(jié)束，否則繼續(xù)進入投票流程偶洋。

舉例

image

上圖來自《ZooKeeper：分布式過程協(xié)同技術(shù)詳解》熟吏，整體流程還是比較簡單，這里就不具體分析了玄窝。

廣播

集群在經(jīng)過leader選舉之后還會有連接leader和同步兩個步驟牵寺，這里就不具體分析這兩個步驟的流程了，主要介紹集群對外提供服務(wù)如何保證各個節(jié)點數(shù)據(jù)的一致性恩脂。

zab在廣播狀態(tài)中保證以下特征

可靠傳遞: 如果消息m由一臺服務(wù)器傳遞帽氓，那么它最終將由所有服務(wù)器傳遞。
全局有序: 如果一個消息a在消息b之前被一臺服務(wù)器交付俩块，那么所有服務(wù)器都交付了a和b黎休，并且a先于b。
因果有序: 如果消息a在因果上先于消息b并且二者都被交付玉凯，那么a必須排在b之前势腮。

有序性是zab協(xié)議必須要保證的一個很重要的屬性，因為zookeeper是以類似目錄結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)的漫仆，必須要求命名的有序性捎拯。

比如一個命名a創(chuàng)建路徑為/test，然后命名b創(chuàng)建路徑為/test/123盲厌，如果不能保證有序性b命名在a之前署照，b命令會因為父節(jié)點不存在而創(chuàng)建失敗。

image

如上圖所示吗浩，整個寫請求類似一個二階段的提交建芙。

當收到客戶端的寫請求的時候會經(jīng)歷以下幾個步驟：

Leader收到客戶端的寫請求，生成一個事務(wù)（Proposal）拓萌，其中包含了zxid；
Leader開始廣播該事務(wù)升略，需要注意的是所有節(jié)點的通訊都是由一個FIFO的隊列維護的微王；
Follower接受到事務(wù)之后，將事務(wù)寫入本地磁盤品嚣，寫入成功之后返回Leader一個ACK炕倘；
Leader收到過半的ACK之后，開始提交本事務(wù)翰撑，并廣播事務(wù)提交信息
從節(jié)點開始提交本事務(wù)罩旋。

有以上流程可知啊央，zookeeper通過二階段提交來保證集群中數(shù)據(jù)的一致性，因為只需要收到過半的ACK就可以提交事務(wù)涨醋，所以zookeeper的數(shù)據(jù)并不是強一致性瓜饥。

zab協(xié)議的有序性保證是通過幾個方面來體現(xiàn)的，第一是浴骂，服務(wù)之前用TCP協(xié)議進行通訊乓土，保證在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的有序性；第二溯警，節(jié)點之前都維護了一個FIFO的隊列趣苏，保證全局有序性；第三梯轻，通過全局遞增的zxid保證因果有序性食磕。

狀態(tài)流轉(zhuǎn)

前面介紹了zookeeper服務(wù)狀態(tài)有四種，ZAB狀態(tài)也有四種喳挑。這里就簡單介紹一個他們之間的狀態(tài)流轉(zhuǎn)彬伦，更能加深對zab協(xié)議在zookeeper工作流程中的作用。

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服務(wù)在啟動或者和leader失聯(lián)之后服務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)為LOOKING蟀悦；
如果leader不存在選舉leader媚朦，如果存在直接連接leader，此時zab協(xié)議狀態(tài)為ELECTION日戈；
如果有超過半數(shù)的投票選擇同一臺server询张，則leader選舉結(jié)束，被選舉為leader的server服務(wù)狀態(tài)為LEADING浙炼，其他server服務(wù)狀態(tài)為FOLLOWING/OBSERVING份氧；
所有server連接上leader，此時zab協(xié)議狀態(tài)為DISCOVERY弯屈；
leader同步數(shù)據(jù)給learner蜗帜，使各個從節(jié)點數(shù)據(jù)和leader保持一致，此時zab協(xié)議狀態(tài)為SYNCHRONIZATION资厉；
同步超過一半的server之后厅缺，集群對外提供服務(wù)，此時zab狀態(tài)為BROADCAST宴偿。

可以知道整個zookeeper服務(wù)的工作流程類似一個狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換湘捎，而zab協(xié)議就是驅(qū)動服務(wù)狀態(tài)流轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，理解了zab就理解了zookeeper工作的關(guān)鍵原理

總結(jié)

本文對zab協(xié)議在zookeeper的工作流程中做了簡單的介紹窄刘，希望對大家理解學習zookeeper有所幫助窥妇。

面試官：說一下Zookeeper的ZAB協(xié)議柬讨？

面試官：說一下Zookeeper的ZAB協(xié)議？

前言

概念介紹

選舉

廣播

狀態(tài)流轉(zhuǎn)

總結(jié)