Zookeeper leader选举

Leader 选举是保证分布式数据一致性的关键所在。Leader 选举分为 Zookeeper 集群初始化启动时选举和 Zookeeper 集群运行期间 Leader 重新选举两种情况。在讲解 Leader 选举前先了解一下 Zookeeper 节点 4 种可能状态和事务ID概念。

1、Zookeeper 节点状态

• LOOKING：寻找 Leader 状态，处于该状态需要进入选举流程
• LEADING：领导者状态，处于该状态的节点说明是角色已经是 Leader
• FOLLOWING：跟随者状态，表示 Leader 已经选举出来，当前节点角色是 follower
• OBSERVER：观察者状态，表明当前节点角色是 observer

2、事务ID

ZooKeeper 状态的每次变化都接收一个 ZXID（ZooKeeper 事务 id）形式的标记。ZXID 是一个 64 位的数字，由 Leader 统一分配，全局唯一，不断递增。ZXID 展示了所有的ZooKeeper 的变更顺序。每次变更会有一个唯一的 zxid，如果 zxid1 小于 zxid2 说明 zxid1 在 zxid2 之前发生。

3、Zookeeper 集群初始化启动时 Leader 选举

若进行 Leader 选举，则至少需要两台机器，这里选取 3 台机器组成的服务器集群为例。初始化启动期间 Leader 选举流程如下图所示。

在集群初始化阶段，当有一台服务器 ZK1 启动时，其单独无法进行和完成 Leader 选举，当第二台服务器 ZK2 启动时，此时两台机器可以相互通信，每台机器都试图找到 Leader，于是进入 Leader 选举过程。选举过程开始，过程如下：　　

(1) 每个Server发出一个投票。由于是初始情况，ZK1 和 ZK2 都会将自己作为 Leader 服务器来进行投票，每次投票会包含所推举的服务器的 myid 和 ZXID，使用(myid, ZXID)来表示，此时 ZK1 的投票为(1, 0)，ZK2 的投票为(2, 0)，然后各自将这个投票发给集群中其他机器。　　

(2) 接受来自各个服务器的投票。集群的每个服务器收到投票后，首先判断该投票的有效性，如检查是否是本轮投票、是否来自 LOOKING 状态的服务器。　　

(3) 处理投票。针对每一个投票，服务器都需要将别人的投票和自己的投票进行比较，规则如下　　　　

• 优先检查 ZXID。ZXID 比较大的服务器优先作为 Leader。
• 如果 ZXID 相同，那么就比较 myid。myid 较大的服务器作为Leader服务器。

    对于 ZK1 而言，它的投票是(1, 0)，接收 ZK2 的投票为(2, 0)，首先会比较两者的 ZXID，均为 0，再比较 myid，此时 ZK2 的 myid 最大，于是 ZK2 胜。ZK1 更新自己的投票为(2, 0)，并将投票重新发送给 ZK2。　　

(4) 统计投票。每次投票后，服务器都会统计投票信息，判断是否已经有过半机器接受到相同的投票信息，对于 ZK1、ZK2 而言，都统计出集群中已经有两台机器接受了(2, 0)的投票信息，此时便认为已经选出 ZK2 作为Leader。　　

(5) 改变服务器状态。一旦确定了 Leader，每个服务器就会更新自己的状态，如果是Follower，那么就变更为 FOLLOWING，如果是 Leader，就变更为 LEADING。当新的 Zookeeper 节点 ZK3 启动时，发现已经有 Leader 了，不再选举，直接将直接的状态从 LOOKING 改为 FOLLOWING。

4、Zookeeper 集群运行期间 Leader 重新选

在 Zookeeper 运行期间，如果 Leader 节点挂了，那么整个 Zookeeper 集群将暂停对外服务，进入新一轮Leader选举。假设正在运行的有 ZK1、ZK2、ZK3 三台服务器，当前 Leader 是 ZK2，若某一时刻 Leader 挂了，此时便开始 Leader 选举。选举过程如下图所示。

 

(1) 变更状态。Leader 挂后，余下的非 Observer 服务器都会讲自己的服务器状态变更为 LOOKING，然后开始进入 Leader 选举过程。　　

(2) 每个Server会发出一个投票。在运行期间，每个服务器上的 ZXID 可能不同，此时假定 ZK1 的 ZXID 为 124，ZK3 的 ZXID 为 123；在第一轮投票中，ZK1 和 ZK3 都会投自己，产生投票(1, 124)，(3, 123)，然后各自将投票发送给集群中所有机器。　　

(3) 接收来自各个服务器的投票。与启动时过程相同。　　

(4) 处理投票。与启动时过程相同，由于 ZK1 事务 ID 大，ZK1 将会成为 Leader。　　

(5) 统计投票。与启动时过程相同。　　

(6) 改变服务器的状态。与启动时过程相同。