zookeeper 内部机制学习
zookeeper 内部机制学习
1. zk的设计目标
- 最终一致性：client不论连接到那个Server，展示给它的都是同一个视图。
- 可靠性：具有简单、健壮、良好的性能、如果消息m被到一台服务器接收，那么消息m将被所有服务器接收。
- 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。
- 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。
- 原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。
- 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。
2. zk的连接方式
ZooKeeper 的客户端程序会选择和集群中的任意一台服务器创建一个 TCP 连接，而且一旦客户端和服务器断开连接，客户端就会自动连接到集群中的其他服务器。
3.zookeeper数据同步
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（ZooKeeper Atomic Broadcast protocol）。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（Recovery选主）和广播模式（Broadcast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4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。
OBSERVING：observer的行为在大多数情况下与follower完全一致，但是他们不参加选举和投票，而仅仅接受(observing)选举和投票的结果。
4.客户端选择服务器
客户端在初始化( new ZooKeeper(String connectString, int sessionTimeout, Watcher watcher) )的过程中，将所有Server保存在一个List中，然后随机打散，形成一个环。之后从0号位开始一个一个使用。
两个注意点：
1. Server地址能够重复配置，这样能够弥补客户端无法设置Server权重的缺陷，但是也会加大风险。（比如: 192.168.1.1:2181,192.168.1.1:2181,192.168.1.2:2181).
2. 如果客户端在进行Server切换过程中耗时过长，那么将会收到SESSION_EXPIRED. 这也是上面第1点中的加大风险之处
5. zookeeper数据同步
5.1 数据触发
Zookeeper是一个由多个Server组成的集群，该集群有一个Leader，多个Follower。客户端可以连接任意ZooKeeper服务节点来读写数据。
ZK集群中每个Server，都保存一份数据副本。Zookeeper使用简单的同步策略，通过以下两条基本保证来实现数据的一致性：
5.2 数据同步
leader构建NEWLEADER包，内含leader最大数据的zxid, 广播给follows，然后leader根据follower数量为每个follower创建一个LearnerHandler线程来处理同步请求：leader主线程阻塞，等待超过半数follower同步完数据之后成为正式leader。
follower接收到NEWLEADER包后响应FOLLOWERINFO给leader，告知本方数据最大的zxid值； leader接收到回馈后开始判断：
- 如果follower和leader数据一致，则直接发送DIFF告知已经同步；
- 判断这一阶段内有无已经北提交的决议值，如果有，那么
a) 如果有部分数据没有同步，leader发送DIFF包将有差异的数据同步过去，同时将follower没有的数据逐个发送commit包给follower要求记录下来；
b) 如果follower数据zxid更大，发送TRUNC包给follower要求删除多余数据 - 如果这一阶段没有提交的决议，直接发送SNAP包将快照同步给follower
以上消息完毕后，LEADER发送UPTODATE包告知follower当前数据已同步，等待follower的ACK完成同步过程。
