Zookeeper工作原理
ZooKeeper 是一個分布式的，開放源碼的分布式應用程序協調服務，它包含一個簡單的原語集，分布式應用程序可以基于它實現同步服務，配置維護和命名服務等。 Zookeeper是hadoop的一個子項目，其發展歷程無需贅述。在分布式應用中，由于工程師不能很好地使用鎖機制，以及基于消息的協調機制不適合在 某些應用中使用，因此需要有一種可靠的、可擴展的、分布式的、可配置的協調機制來統一系統的狀態。Zookeeper的目的就在于此。本文簡單分析 zookeeper的工作原理，對于如何使用zookeeper不是本文討論的重點。
1 Zookeeper的基本概念
1.1 角色
Zookeeper中的角色主要有以下三類，如下表所示：
系統模型如圖所示：
1.2 設計目的
1.最終一致性：client不論連接到哪個Server，展示給它都是同一個視圖，這是zookeeper最重要的性能。
2 .可靠性：具有簡單、健壯、良好的性能，如果消息m被到一臺服務器接受，那么它將被所有的服務器接受。
3 .實時性：Zookeeper保證客戶端將在一個時間間隔范圍內獲得服務器的更新信息，或者服務器失效的信息。但由于網絡延時等原因，Zookeeper不能保證兩個客戶端能同時得到剛更新的數據，如果需要最新數據，應該在讀數據之前調用sync()接口。
4 .等待無關(wait-free)：慢的或者失效的client不得干預快速的client的請求，使得每個client都能有效的等待。
5.原子性：更新只能成功或者失敗，沒有中間狀態。
6 .順序性：包括全局有序和偏序兩種：全局有序是指如果在一臺服務器上消息a在消息b前發布，則在所有Server上消息a都將在消息b前被發布；偏序是指如果一個消息b在消息a后被同一個發送者發布，a必將排在b前面。
2 ZooKeeper的工作原理
Zookeeper的核心是原子廣播，這個機制保證了各個Server之間的同步。實現這個機制的協議叫做Zab協議。Zab協議有兩種模 式，它們分別是恢復模式(選主)和廣播模式(同步)。當服務啟動或者在領導者崩潰后，Zab就進入了恢復模式，當領導者被選舉出來，且大多數Server 完成了和leader的狀態同步以后，恢復模式就結束了。狀態同步保證了leader和Server具有相同的系統狀態。
為了保證事務的順序一致性，zookeeper采用了遞增的事務id號(zxid)來標識事務。所有的提議(proposal)都在被提出 的時候加上了zxid。實現中zxid是一個64位的數字，它高32位是epoch用來標識leader關系是否改變，每次一個leader被選出來，它 都會有一個新的epoch，標識當前屬于那個leader的統治時期。低32位用于遞增計數。
每個Server在工作過程中有三種狀態：
2.1 選主流程
當leader崩潰或者leader失去大多數的follower，這時候zk進入恢復模式，恢復模式需要重新選舉出一個新的 leader，讓所有的Server都恢復到一個正確的狀態。Zk的選舉算法有兩種：一種是基于basic paxos實現的，另外一種是基于fast paxos算法實現的。系統默認的選舉算法為fast paxos。先介紹basic paxos流程：
通過流程分析我們可以得出：要使Leader獲得多數Server的支持，則Server總數必須是奇數2n+1，且存活的Server的數目不得少于n+1.
每個Server啟動后都會重復以上流程。在恢復模式下，如果是剛從崩潰狀態恢復的或者剛啟動的server還會從磁盤快照中恢復數據和會話信息，zk會記錄事務日志并定期進行快照，方便在恢復時進行狀態恢復。選主的具體流程圖如下所示：
fast paxos流程是在選舉過程中，某Server首先向所有Server提議自己要成為leader，當其它Server收到提議以后，解決epoch和 zxid的沖突，并接受對方的提議，然后向對方發送接受提議完成的消息，重復這個流程，最后一定能選舉出Leader。其流程圖如下所示：
2.2 同步流程
選完leader以后，zk就進入狀態同步過程。
流程圖如下所示：
2.3 工作流程
2.3.1 Leader工作流程
Leader主要有三個功能：
PING消息是指Learner的心跳信息；REQUEST消息是Follower發送的提議信息，包括寫請求及同步請求；ACK消息是 Follower的對提議的回復，超過半數的Follower通過，則commit該提議；REVALIDATE消息是用來延長SESSION有效時間。
Leader的工作流程簡圖如下所示，在實際實現中，流程要比下圖復雜得多，啟動了三個線程來實現功能。
2.3.2 Follower工作流程
Follower主要有四個功能：
Follower的消息循環處理如下幾種來自Leader的消息：
Follower的工作流程簡圖如下所示，在實際實現中，Follower是通過5個線程來實現功能的。
對于observer的流程不再敘述，observer流程和Follower的唯一不同的地方就是observer不會參加leader發起的投票。