人類選舉的基本原理

講解 Zookeeper 選舉過程前先來介紹一下人類的選舉。

我們每個人或多或少都經(jīng)歷過幾次選舉，在投票的過程中可能會遇到這樣幾種情況：

情況1：自己與幾個候選人都比較熟，你會將票投給你認為能力比較強的人；

情況2：自己也是候選人，并且與其他幾個候選人都不熟，這個時候你肯定想著要去拉票，因為覺得自己才是最厲害的人呀，所有人都應該把票投給我。但是遺憾的是在拉票的過程中，你發(fā)現(xiàn)別人比你強，你開始自卑了，最終還是把票投給了自己認為最強的人。

所有人都投完票之后，最后從投票箱中進行統(tǒng)計，獲得票數(shù)最多的人當選。

在整個投票過程中我們可以提煉出四個最核心的概念：

• 候選人能力：投票的基本原則是選最強的人。
• 遇強改投：如果后面發(fā)現(xiàn)更強的人可以改投票。
• 投票箱：所有人的票都會放在投票箱。
• 領導者：得票最多的人即為領導者。

從人類選舉的原理我們來簡單推導一下Zookeeper的選舉原理。

Zookeeper選舉的基本原理

注意如果 Zookeeper 是單機部署是不需要選舉的，集群模式下才需要選舉。

Zookeeper 的選舉原理和人類選舉的邏輯類似，套用一下人類選舉的四個基本概念詳細解釋一下Zookeeper。

• 個人能力

如何衡量 Zookeeper 節(jié)點個人能力？答案是靠數(shù)據(jù)是否夠新，如果節(jié)點的數(shù)據(jù)越新就代表這個節(jié)點的個人能力越強，是不是感覺很奇怪，就是這么定的！

在 Zookeeper 中通常是以事務id（后面簡稱zxid）來標識數(shù)據(jù)的新舊程度（版本），節(jié)點最新的zxid越大代表這個節(jié)點的數(shù)據(jù)越新，也就代表這個節(jié)點能力越強。

zxid 的全稱是 ZooKeeper Transaction Id，即 Zookeeper 事務id。

• 遇強改投

在集群選舉開始時，節(jié)點首先認為自己是最強的（即數(shù)據(jù)是最新的），然后在選票上寫上自己的名字（包括zxid和sid），zxid 是事務id，sid 唯一標識自己。

緊接著會將選票傳遞給其他節(jié)點，同時自己也會接收其他節(jié)點傳過來的選票。每個節(jié)點接收到選票后會做比較，這個人是不是比我強（zxid比我大），如果比較強，那我就需要改票，明明別人比我強，我也不能厚著臉皮對吧。

• 投票箱

與人類選舉投票箱稍微有點不一樣，Zookeeper 集群會在每個節(jié)點的內(nèi)存中維護一個投票箱。節(jié)點會將自己的選票以及其他節(jié)點的選票都放在這個投票箱中。由于選票是互相傳閱的，所以最終每個節(jié)點投票箱中的選票會是一樣的。

• 領導者

在投票的過程中會去統(tǒng)計是否有超過一半的選票和自己選擇的是同一個節(jié)點，即都認為某個節(jié)點是最強的。一旦集群中有超過半數(shù)的節(jié)點都認為某個節(jié)點最強，那該節(jié)點就是領導者了，投票也宣告結束。

什么場景下 Zookeeper 需要選舉？

當 Zookeeper 集群中的一臺服務器出現(xiàn)以下兩種情況之一時，需要進入 Leader 選舉。

（1）服務器初始化啟動。

（2）服務器運行期間 Leader 故障。

啟動時期的 Leader 選舉

假設一個 Zookeeper 集群中有5臺服務器，id從1到5編號，并且它們都是最新啟動的，沒有歷史數(shù)據(jù)。

假設服務器依次啟動，我們來分析一下選舉過程：

（1）服務器1啟動

發(fā)起一次選舉，服務器1投自己一票，此時服務器1票數(shù)一票，不夠半數(shù)以上（3票），選舉無法完成。

投票結果：服務器1為1票。

服務器1狀態(tài)保持為LOOKING。

（2）服務器2啟動

發(fā)起一次選舉，服務器1和2分別投自己一票，此時服務器1發(fā)現(xiàn)服務器2的id比自己大，更改選票投給服務器2。

投票結果：服務器1為0票，服務器2為2票。

服務器1，2狀態(tài)保持LOOKING

（3）服務器3啟動

發(fā)起一次選舉，服務器1、2、3先投自己一票，然后因為服務器3的id最大，兩者更改選票投給為服務器3；

投票結果：服務器1為0票，服務器2為0票，服務器3為3票。此時服務器3的票數(shù)已經(jīng)超過半數(shù)（3票），服務器3當選Leader。

服務器1，2更改狀態(tài)為FOLLOWING，服務器3更改狀態(tài)為LEADING。

（4）服務器4啟動

發(fā)起一次選舉，此時服務器1，2，3已經(jīng)不是LOOKING 狀態(tài)，不會更改選票信息。交換選票信息結果：服務器3為3票，服務器4為1票。此時服務器4服從多數(shù)，更改選票信息為服務器3。

服務器4并更改狀態(tài)為FOLLOWING。

（5）服務器5啟動

與服務器4一樣投票給3，此時服務器3一共5票，服務器5為0票。

服務器5并更改狀態(tài)為FOLLOWING。

最終的結果：

服務器3是 Leader，狀態(tài)為 LEADING；其余服務器是 Follower，狀態(tài)為 FOLLOWING。

運行時期的Leader選舉

在 Zookeeper運行期間 Leader 和 非 Leader 各司其職，當有非 Leader 服務器宕機或加入不會影響 Leader，但是一旦 Leader 服務器掛了，那么整個 Zookeeper 集群將暫停對外服務，會觸發(fā)新一輪的選舉。

初始狀態(tài)下服務器3當選為Leader，假設現(xiàn)在服務器3故障宕機了，此時每個服務器上zxid可能都不一樣，server1為99，server2為102，server4為100，server5為101

運行期選舉與初始狀態(tài)投票過程基本類似，大致可以分為以下幾個步驟：

（1）狀態(tài)變更。Leader 故障后，余下的非 Observer 服務器都會將自己的服務器狀態(tài)變更為LOOKING，然后開始進入Leader選舉過程。

（2）每個Server會發(fā)出投票。

（3）接收來自各個服務器的投票，如果其他服務器的數(shù)據(jù)比自己的新會改投票。

（4）處理和統(tǒng)計投票，每一輪投票結束后都會統(tǒng)計投票，超過半數(shù)即可當選。

（5）改變服務器的狀態(tài)，宣布當選。

話不多說先來一張圖：

（1）第一次投票，每臺機器都會將票投給自己。

（2）接著每臺機器都會將自己的投票發(fā)給其他機器，如果發(fā)現(xiàn)其他機器的zxid比自己大，那么就需要改投票重新投一次。比如server1 收到了三張票，發(fā)現(xiàn)server2的xzid為102，pk一下發(fā)現(xiàn)自己輸了，后面果斷改投票選server2為老大。

選舉機制中涉及到的核心概念

敲黑板了，這些概念是面試必考的。

（1）Server id（或sid）：服務器ID

比如有三臺服務器，編號分別是1,2,3。編號越大在選擇算法中的權重越大，比如初始化啟動時就是根據(jù)服務器ID進行比較。

（2）Zxid：事務ID

服務器中存放的數(shù)據(jù)的事務ID，值越大說明數(shù)據(jù)越新，在選舉算法中數(shù)據(jù)越新權重越大。

（3）Epoch：邏輯時鐘

也叫投票的次數(shù)，同一輪投票過程中的邏輯時鐘值是相同的，每投完一次票這個數(shù)據(jù)就會增加。

（4）Server狀態(tài)：選舉狀態(tài)

LOOKING，競選狀態(tài)。

FOLLOWING，隨從狀態(tài)，同步leader狀態(tài)，參與投票。

OBSERVING，觀察狀態(tài),同步leader狀態(tài)，不參與投票。

LEADING，領導者狀態(tài)。

總結

（1）Zookeeper 選舉會發(fā)生在服務器初始狀態(tài)和運行狀態(tài)下。

（2）初始狀態(tài)下會根據(jù)服務器sid的編號對比，編號越大權值越大，投票過半數(shù)即可選出Leader。

（3）Leader 故障會觸發(fā)新一輪選舉，zxid 代表數(shù)據(jù)越新，權值也就越大。

（4）在運行期選舉還可能會遇到腦裂的情況，大家可以自行學習。