zk选举流程分析

zk集群运行过程中，服务器选举的源码剖析

在zk服务器集群启动过程中，经QuorumPeerMain中，不光会创建ZooKeeperServer对象，同时会生成QuorumPeer对象，代表了ZooKeeper集群中的一台机器。在整个机器运行期间，负责维护该机器的运行状态，同时会根据情况发起Leader选举。下图是 《从PAXOS到ZOOKEEPER分布式一致性原理与实践》的服务器启动流程

QuorumPeer是一个独立的线程，维护着zk机器的状态。

@Override
public synchronized void start() {
    loadDataBase();
    cnxnFactory.start();        
    startLeaderElection();
    super.start();
}

本次主要介绍的是选举相关的内容，至于其他操作可以看其他博客。之后的行文都是从startLeaderElection中衍生出来的。

基本概念：

SID：服务器ID，用来标示ZooKeeper集群中的机器，每台机器不能重复，和myid的值一直
ZXID：事务ID
Vote: 选票，具体的数据结构后面有
Quorum：过半机器数
选举轮次：logicalclock，zk服务器Leader选举的轮次

服务器类型：

在zk中，引入了Leader、Follwer和Observer三种角色。zk集群中的所有机器通过一个Leader选举过程来选定一台被称为Leader的机器，Leader服务器为客户端提供读和写服务。Follower和Observer都能够提供读服务，唯一的区别在于，Observer机器不参与Leader选举过程，也不参与写操作的过半写成功策略。因此，Observer存在的意义是：在不影响写性能的情况下提升集群的读性能。

服务器状态：

+ LOOKING：Leader选举阶段
+ FOLLOWING：Follower服务器和Leader保持同步状态
+ LEADING：Leader服务器作为主进程领导状态。
+ OBSERVING：观察者状态，表明当前服务器是Observer，不参与投票

选举的目的就是选择出合适的Leader机器，由Leader机器决定事务性的Proposal处理过程，实现类两阶段提交协议（具体是ZAB协议）

QuorumPeer维护集群机器状态

QuorumPeer的职责就是不断地检测当前的zk机器的状态，执行对应的逻辑，简单来说，就是根据服务所处的不同状态执行不同的逻辑。删除了一部分逻辑后，代码如下：

@Override
public void run() {
    setName("QuorumPeer" + "[myid=" + getId() + "]" +
            cnxnFactory.getLocalAddress());
 
     try {
        while (running) {
            switch (getPeerState()) {
            case LOOKING:
                LOG.info("LOOKING");
                try {
                    setBCVote(null);
                    setCurrentVote(makeLEStrategy().lookForLeader());
                } catch (Exception e) {
                    LOG.warn("Unexpected exception", e);
                    setPeerState(ServerState.LOOKING);
                }
                
                break;
            case OBSERVING:
                try {
                    LOG.info("OBSERVING");
                    setObserver(makeObserver(logFactory));
                    observer.observeLeader();
                } catch (Exception e) {
                    LOG.warn("Unexpected exception",e );                        
                } finally {
                    observer.shutdown();
                    setObserver(null);
                    setPeerState(ServerState.LOOKING);
                }
                break;
            case FOLLOWING:
                try {
                    LOG.info("FOLLOWING");
                    setFollower(makeFollower(logFactory));
                    follower.followLeader();
                } catch (Exception e) {
                    LOG.warn("Unexpected exception",e);
                } finally {
                    follower.shutdown();
                    setFollower(null);
                    setPeerState(ServerState.LOOKING);
                }
                break;
            case LEADING:
                LOG.info("LEADING");
                try {
                    setLeader(makeLeader(logFactory));
                    leader.lead();
                    setLeader(null);
                } catch (Exception e) {
                    LOG.warn("Unexpected exception",e);
                } finally {
                    if (leader != null) {
                        leader.shutdown("Forcing shutdown");
                        setLeader(null);
                    }
                    setPeerState(ServerState.LOOKING);
                }
                break;
            }
        }
    } finally {
        LOG.warn("QuorumPeer main thread exited");
    }
}

当机器处于LOOKING状态时，QuorumPeer会进行选举，但是具体的逻辑并不是由QuorumPeer来负责的，整体的投票过程独立出来了，从逻辑执行的角度看，整个过程设计到两个主要的环节：

• 与其他的zk集群通信的过程
• 实现具体的选举算法

而QuorumPeer中默认使用的选举算法是FastLeaderElection，之后的分析也是基于FastLeaderElection而言的。

选举过程中的整体架构

在集群启动的过程中，QuorumPeer会根据配置实现不同的选举策略 this.electionAlg = createElectionAlgorithm(electionType);


    protected Election createElectionAlgorithm(int electionAlgorithm){
    Election le=null;
 
    switch (electionAlgorithm) {
 
    case 3:
        QuorumCnxManager qcm = new QuorumCnxManager(this);
        QuorumCnxManager.Listener listener = qcm.listener;
        if(listener != null){
            listener.start();
            le = new FastLeaderElection(this, qcm);
        } else {
            LOG.error("Null listener when initializing cnx manager");
        }
        break;
    default:
        assert false;
    }
    return le;
}

如果ClientCnxn是zk客户端中处理IO请求的管理器，QuorumCnxManager是zk集群间负责选举过程中网络IO的管理器，在每台服务器启动的时候，都会启动一个QuorumCnxManager，用来维持各台服务器之间的网络通信。

对于每一台zk机器，都需要建立一个TCP的端口监听，在QuorumCnxManager中交给Listener来处理，使用的是Socket的阻塞式IO（默认监听的端口是3888，是在config文件里面设置的）。在两两相互连接的过程中，为了避免两台机器之间重复地创建TCP连接，zk制定了连接的规则：只允许SID打的服务器主动和其他服务器建立连接。实现的方式也比较简单，在receiveConnection中，服务器会对比与自己建立连接的服务器的SID，判断是否接受请求，如果自己的SID更大，那么会断开连接，然后自己主动去和远程服务器建立连接。这段逻辑是由Listener来做的，且Listener独立线程，receivedConnection，建立连接后的示意图：

QuorumCnxManager是连接的管家，具体的TCP连接交给了Listener，但是对于选票的管理，内部还维护了一系列的队列：

• recvQueue:消息接收队列，用来存放那些从其他服务器接收到的消息，单独的队列
• 分组队列（quorumCnxManager中将zk集群中的每台机器按照SID单独分组形成队列集合）：
  • queueSendMap:消息发送队列，用于保存待发送的消息。new ConcurrentHashMap<Long, ArrayBlockingQueue>(); 按照SID分组,分别为每台机器分配一个单独队列，保证各台机器之间的消息发放互不影响
  • senderWorderMap:发送器集合。每个SendWorder消息发送器，都对应一台远程zk服务器，负责消息的发放。
  • lastMessageSent:最近发送过的消息，按照SID分组

基本的通信流程如下：

以上内容主要是建立各台zk服务器之间的连接通信过程，具体的选举策略zk抽象成了Election，主要分析的是FastLeaderElection方式（选举算法的核心部分）：

public interface Election {
    public Vote lookForLeader() throws InterruptedException;
    public void shutdown();
}

FastLeaderElection选举算法

上面说过QuorumPeer检测到当前服务器的状态是LOOKING的时候，就会进行新一轮的选举，通过 setCurrentVote(makeLEStrategy().lookForLeader());也就是FastLeaderElection的lookForLeader来进行初始选择,实现的方式也很简单，主要的逻辑在FastLeaderElection.lookForLeader中实现：

基本流程先说明一下：

• QuorumPeer会轮询检查当前服务器状态，如果发现State是LOOKING，调用Election的lookForLeader来开始新一轮的选举
• FastLeaderElection会首先将logicallock++,表示新的一轮选举开始了
• 构造初始的选票，Vote的内容就是选自己，然后通知zk集群中的其他机器
• FastLeaderElection会一直轮询查状态，只要是LOOKING态，就会从recvqueue中获取其他服务器同步的选票信息，为了方便说明，记录为n
• 根据n的票选信息状态，做相关的操作
  • LOOKING: 都处于无Leader态，比较一下选票的优劣，看是否更新自己的选票，如果更新了就同时通知给其他服务器
  • FOLLOWING、LEADING:说明集群中已经有Leader存在，更新一下自己的状态，结束本轮投票
  • OBSERVING：这票没什么卵用，直接舍弃（OBSERVER是不参与投票的）

根据上面的流程，可以大概说明一下FasterLeaderElection确定选票更优的策略：

• 如果外部投票中被推举的Leader服务器选举轮次大于自身的轮次，那么就更新选票
• 如果选举轮次一致，就对比两者的ZXID，ZAB协议中ZXID越大的留存的信息也越多，因此如果ZXID大于自己的，那么就更新选票
• 如果ZXID也一致，对比两者的SID，SID大，则优先级高

总结：

以上就是zk的默认选票流程，按照ZAB协议的两种状态分析：

• 初始化的时候，处于同一轮次进行投票直到投票选择出一个Leader
• 崩溃恢复阶段：
  • Leader服务器挂了，那么经历的和初始化流程类似的过程，选择Leader
  • Follower服务器挂了，那么自己在执行选举的过程中，会收到其他服务器给的Leader选票信息，也可以确定Leader所属