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

情況1：自己與幾個(gè)候選人都比較熟，你會(huì)將票投給你認(rèn)為能力比較強(qiáng)的人；

情況2：自己也是候選人，并且與其他幾個(gè)候選人都不熟，這個(gè)時(shí)候你肯定想著要去拉票，因?yàn)橛X得自己才是最厲害的人呀，所有人都應(yīng)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(qiáng)，你開始自卑了，最終還是把票投給了自己認(rèn)為最強(qiáng)的人。

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

在整個(gè)投票過程中我們可以提煉出四個(gè)最核心的概念：

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

從人類選舉的原理我們來簡單推導(dǎo)一下Zookeeper的選舉原理。

Zookeeper選舉的基本原理

注意如果 Zookeeper 是單機(jī)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(gè)基本概念詳細(xì)解釋一下Zookeeper。

• 個(gè)人能力

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

在 Zookeeper 中通常是以事務(wù)id（后面簡稱zxid）來標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的新舊程度（版本），節(jié)點(diǎn)最新的zxid越大代表這個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)越新，也就代表這個(gè)節(jié)點(diǎn)能力越強(qiáng)。

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

• 遇強(qiáng)改投

在集群選舉開始時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先認(rèn)為自己是最強(qiáng)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(wù)id，sid 唯一標(biāo)識(shí)自己。

緊接著會(huì)將選票傳遞給其他節(jié)點(diǎn)，同時(shí)自己也會(huì)接收其他節(jié)點(diǎn)傳過來的選票。每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到選票后會(huì)做比較，這個(gè)人是不是比我強(qiáng)（zxid比我大），如果比較強(qiáng)，那我就需要改票，明明別人比我強(qiáng)，我也不能厚著臉皮對(duì)吧。

• 投票箱

與人類選舉投票箱稍微有點(diǎn)不一樣，Zookeeper 集群會(huì)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存中維護(hù)一個(gè)投票箱。節(jié)點(diǎn)會(huì)將自己的選票以及其他節(jié)點(diǎn)的選票都放在這個(gè)投票箱中。由于選票是互相傳閱的，所以最終每個(gè)節(jié)點(diǎn)投票箱中的選票會(huì)是一樣的。

• 領(lǐng)導(dǎo)者

在投票的過程中會(huì)去統(tǒng)計(jì)是否有超過一半的選票和自己選擇的是同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即都認(rèn)為某個(gè)節(jié)點(diǎn)是最強(qiáng)的。一旦集群中有超過半數(shù)的節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為某個(gè)節(jié)點(diǎn)最強(qiáng)，那該節(jié)點(diǎn)就是領(lǐng)導(dǎo)者了，投票也宣告結(jié)束。

什么場(chǎng)景下 Zookeeper 需要選舉？

當(dāng) Zookeeper 集群中的一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)以下兩種情況之一時(shí)，需要進(jìn)入 Leader 選舉。

（1）服務(wù)器初始化啟動(dòng)。

（2）服務(wù)器運(yùn)行期間 Leader 故障。

啟動(dòng)時(shí)期的 Leader 選舉

假設(shè)一個(gè) Zookeeper 集群中有5臺(tái)服務(wù)器，id從1到5編號(hào)，并且它們都是最新啟動(dòng)的，沒有歷史數(shù)據(jù)。

假設(shè)服務(wù)器依次啟動(dòng)，我們來分析一下選舉過程：

（1）服務(wù)器1啟動(dòng)

發(fā)起一次選舉，服務(wù)器1投自己一票，此時(shí)服務(wù)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(jié)果：服務(wù)器1為1票。

服務(wù)器1狀態(tài)保持為LOOKING。

（2）服務(wù)器2啟動(dòng)

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

投票結(jié)果：服務(wù)器1為0票，服務(wù)器2為2票。

服務(wù)器1，2狀態(tài)保持LOOKING

（3）服務(wù)器3啟動(dòng)

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

投票結(jié)果：服務(wù)器1為0票，服務(wù)器2為0票，服務(wù)器3為3票。此時(shí)服務(wù)器3的票數(shù)已經(jīng)超過半數(shù)（3票），服務(wù)器3當(dāng)選Leader。

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

（4）服務(wù)器4啟動(dòng)

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

服務(wù)器4并更改狀態(tài)為FOLLOWING。

（5）服務(wù)器5啟動(dòng)

與服務(wù)器4一樣投票給3，此時(shí)服務(wù)器3一共5票，服務(wù)器5為0票。

服務(wù)器5并更改狀態(tài)為FOLLOWING。

最終的結(jié)果：

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

運(yùn)行時(shí)期的Leader選舉

在 Zookeeper運(yùn)行期間 Leader 和 非 Leader 各司其職，當(dāng)有非 Leader 服務(wù)器宕機(jī)或加入不會(huì)影響 Leader，但是一旦 Leader 服務(wù)器掛了，那么整個(gè) Zookeeper 集群將暫停對(duì)外服務(wù)，會(huì)觸發(fā)新一輪的選舉。

初始狀態(tài)下服務(wù)器3當(dāng)選為Leader，假設(shè)現(xiàn)在服務(wù)器3故障宕機(jī)了，此時(shí)每個(gè)服務(wù)器上zxid可能都不一樣，server1為99，server2為102，server4為100，server5為101

運(yùn)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(gè)步驟：

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

（2）每個(gè)Server會(huì)發(fā)出投票。

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

（4）處理和統(tǒng)計(jì)投票，每一輪投票結(jié)束后都會(huì)統(tǒng)計(jì)投票，超過半數(shù)即可當(dāng)選。

（5）改變服務(wù)器的狀態(tài)，宣布當(dāng)選。

話不多說先來一張圖：

（1）第一次投票，每臺(tái)機(jī)器都會(huì)將票投給自己。

（2）接著每臺(tái)機(jī)器都會(huì)將自己的投票發(fā)給其他機(jī)器，如果發(fā)現(xiàn)其他機(jī)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(jī)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(wù)器ID

比如有三臺(tái)服務(wù)器，編號(hào)分別是1,2,3。編號(hào)越大在選擇算法中的權(quán)重越大，比如初始化啟動(dòng)時(shí)就是根據(jù)服務(wù)器ID進(jìn)行比較。

（2）Zxid：事務(wù)ID

服務(wù)器中存放的數(shù)據(jù)的事務(wù)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(quán)重越大。

（3）Epoch：邏輯時(shí)鐘

也叫投票的次數(shù)，同一輪投票過程中的邏輯時(shí)鐘值是相同的，每投完一次票這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)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(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)。

總結(jié)

（1）Zookeeper 選舉會(huì)發(fā)生在服務(wù)器初始狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)下。

（2）初始狀態(tài)下會(huì)根據(jù)服務(wù)器sid的編號(hào)對(duì)比，編號(hào)越大權(quán)值越大，投票過半數(shù)即可選出Leader。

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

（4）在運(yùn)行期選舉還可能會(huì)遇到腦裂的情況，大家可以自行學(xué)習(xí)。