Zookeeper工作原理
一、概念
官方文档描述，Zookeeper 是一个分布式协调服务框架；
Zookeeper 本质上是 一个有监听通知机制功能的分布式存储服务， 使之实现 分布式的CAP原则中的 CP 原则，即一致性和分区容错容错性；
二、Zookeeper 功能
2.1、命名服务：在zookeeper的文件系统里创建一个目录，即有唯一的path。在我们使用tborg无法确定上游程序的部署机器时即可与下游程序约定好path，通过path即能互相探索发现。
2.2、配置管理：把应用配置放置zookeeper上去,保存在 Zookeeper 的某个目录节点中，然后所有相关应用程序对这个目录节点进行监听，一旦配置信息发生变化，每个应用程序就会收到 Zookeeper 的通知，然后从 Zookeeper 获取新的配置信息应用到系统中就好。
2.3、集群管理：节点（机器）增删及Master选取。节点增删：所有机器约定在父目录GroupMembers下创建临时目录节点，然后监听父目录节点的子节点变化消息。一旦有机器挂掉，该机器与 zookeeper的连接断开，其所创建的临时目录节点被删除，所有其他机器都收到通知：某个兄弟目录被删除，于是，所有人都知道：它上船了。新机器加入 也是类似，所有机器收到通知：新兄弟目录加入，highcount又有了。Master选取：所有机器创建临时顺序编号目录节点，每次选取编号最小的机器作为master就好。
2.4、分布式锁：基于zookeeper一致性文件系统,实现锁服务。锁服务分为保存独占及时序控制两类。保存独占：将zookeeper上的一个znode看作是一把锁，通过createznode的方式来实现。所有客户端都去创建 /distribute_lock 节点，最终成功创建的那个客户端也即拥有了这把锁。用完删除自己创建的distribute_lock 节点就释放锁。时序控制：基于/distribute_lock锁，所有客户端在它下面创建临时顺序编号目录节点，和选master一样，编号最小的获得锁，用完删除，依次方便。
2.5、队列管理：分同步队列,FIFO队列（入队与出队），同步队列：当一个队列的成员都聚齐时，这个队列才可用，否则一直等待所有成员到达。在约定目录下创建临时目录节点，监听节点数目是否是我们要求的数目。FIFO队列：和分布式锁服务中的控制时序场景基本原理一致，入列有编号，出列按编号。
2.6、分布式与数据复制：Zookeeper作为一个集群提供一致的数据服务，必然在所有机器间做数据复制。数据复制好处：
（1）容错：一个节点出错，不致于让整个系统停止工作，别的节点可以接管它的工作。
（2）提高系统的扩展能力：把负载分布到多个节点上，或者增加节点来提高系统的负载能力；
（3）性能提升：让客户端本地访问就近节点,提高用户访问速度。
三、Zookeeper 基本概念
3.1、Zookeeper 角色
角色如下三类：
Zookeeper 集群管理图 （https://www.cnblogs.com/DeepInThought/p/11061550.html）
3.1.2 Zookeeper角色的状态
LOOKING：
当前Server未知集群中的Leader，并且正在寻找。
LEADING：
当前Server即为选举出来的Leader。
FOLLOWING：
当前Follower已与选举出来的Leader同步。
OBSERVING
当前Observer已与选举出来的Leader同步。
3.1.3、Zookeeper各角色的作用
事务请求：
在Zookeeper中，会改变服务器状态的请求称为事务请求（包括：创建节点、更新数据、删除节点、创建会话等）。
非事务请求
从Zookeeper仅仅读取数据，不会对服务器数据状态进行任何修改的请求称为非事务请求。
3.1.4、Zookeeper各角色的作用
1）Leader的作用
在ZAB崩溃恢复之后，消息广播之前，进行集群中的数据同步；
维持与Learner的心跳，接收Learner请求消息，并据不同的消息类型，进行不同的处理；
Learner处理的消息类型包括：PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息等。
其中，PING消息指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，实际上流程要比下图复杂得多，启动了三个线程来实现功能：
2）Follower的作用
Follower主要有四个功能：
向Leader发送请求（PING请求、REQUEST消息、ACK请求、REVALIDATE消息）；
接收Leader 的消息并进行处理；
接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；
返回Client请求结果。
Follower的消息循环处理以下来自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：服务器端最新一提案的信息；
UPTODATE消息：表示同步完成；
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数据更新
3）Observer角色
除了不参与Leader选举和Proposal投票外，与Follower的作用相同。
3.2、设计目的
(1) 最终一致性：client不论连接到哪个Server，展示给它都是同一个视图，这是zookeeper最重要的性能。
(2) 可靠性：具有简单、健壮、良好的性能，如果消息m被到一台服务器接受，那么它将被所有的服务器接受。
(3) 实时性：Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新信息，或者服务器失效的信息。但由于网络延时等原因，Zookeeper不能保证两个客户端能同时得到刚更新的数据，如果需要最新数据，应该在读数据之前调用sync()接口。
(4) 等待无关（wait-free）：慢的或者失效的client不得干预快速的client的请求，使得每个client都能有效的等待。
(5) 原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。
(6) 顺序性：包括全局有序和偏序两种：全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布，则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布；偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布，a必将排在b前面。
四、ZooKeeper的工作原理
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
4.1、选主流程
（ https://blog.csdn.net/duke370503/article/details/52623192 ）
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。系统默认的选举算法为fast paxos。先介绍basic paxos流程：
1 .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；
2 .选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；
3 .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；
4. 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；
5. 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：
4.2 同步流程
选完leader以后，zk就进入状态同步过程。
1. leader等待server连接；
2 .Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；
3 .Leader根据follower的zxid确定同步点；
4 .完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；
5 .Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。
五、Zookeeper
5.1、节点
1、PERSISTENT-持久化目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在
2、 PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化顺序编号目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号
3、EPHEMERAL-临时目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除
4、EPHEMERAL_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号
5.2、 通知机制
客户端注册监听它关心的目录节点，当目录节点发生变化（数据改变、被删除、子目录节点增加删除）时，zookeeper会通知客户
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参考：
比较完整：https://blog.csdn.net/duke370503/article/details/52623192
fast paxos : https://blog.csdn.net/u010039929/article/details/70171672
https://blog.csdn.net/wzk646795873/article/details/79706627
https://www.cnblogs.com/DeepInThought/p/11061550.html
有四种类型的znode：
1、PERSISTENT-持久化目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在
2、 PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化顺序编号目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号
3、EPHEMERAL-临时目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除
4、EPHEMERAL_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点
客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号
