一、ZooKeeper概述

Zookeeper是一个开源的分布式应用程序协调服务。主要用来解决分布式集群中应用系统的一致性问题。

Zookeeper本质上是一个分布式的小文件存储系统。提供基于类似于文件系统的目录树方式的数据存储，并且可以对树中的节点进行有效管理。从而用来维护和监控你存储的数据的状态变化。通过监控这些数据状态的变化，从而可以达到基于数据的集群管理。

二、ZooKeeper特性

• 全局数据一致：集群中每个服务器保存一份相同的数据副本，client无论连接到哪个服务器，展示的数据都是一致的，这是最重要的特征；
• 可靠性：如果消息被其中一台服务器接受，那么将被所有的服务器接受。
• 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。
• 数据更新原子性：一次数据更新要么成功（半数以上节点成功），要么失败，不存在中间状态；
• 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。

三、ZooKeeper集群角色

1. Leader

• Zookeeper集群工作的核心，是集群内部各个服务器的调度者。
• 事务请求（写操作）的唯一调度和处理者，管理集群众多从角色，保证集群事务处理的顺序性；

2. Follower

• 处理客户端非事务（读操作）请求
• 将事务操作请求转发给Leader；
• 参与集群选举投票。

3. Observer

针对访问量比较大的zookeeper集群，还可新增观察者角色。

• 观察者角色，观察Zookeeper集群的最新状态变化并将这些状态同步过来，其对于非事务请求可以进行独立处理，对于事务请求，则会转发给Leader服务器进行处理。
• 不会参与任何形式的投票只提供非事务服务，通常用于在不影响集群事务处理能力的前提下提升集群的非事务处理能力。

四、ZooKeeper数据模型

ZooKeeper的数据模型在结构上和标准文件系统的非常相似，提供一个多层级的节点命名空间，都是采用树形层次结构，ZooKeeper树中的每个节点被称为—Znode。和文件系统的目录树一样，ZooKeeper树中的每个节点可以拥有子节点。但也有不同之处：

• Znode兼具文件和目录两种特点。既像文件一样维护着数据、元信息、ACL、时间戳等数据结构，又像目录一样可以作为路径标识的一部分，并可以具有子Znode。用户对Znode具有增、删、改、查等操作（权限允许的情况下）。
• Znode具有原子性操作，读操作将获取与节点相关的所有数据，写操作也将替换掉节点的所有数据。另外，每一个节点都拥有自己的ACL(访问控制列表)，这个列表规定了用户的权限，即限定了特定用户对目标节点可以执行的操作。
• Znode存储数据大小有限制。ZooKeeper虽然可以关联一些数据，但并没有被设计为常规的数据库或者大数据存储，相反的是，它用来管理调度数据，比如分布式应用中的配置文件信息、状态信息、汇集位置等等。这些数据的共同特性就是它们都是很小的数据，通常以KB为大小单位。ZooKeeper的服务器和客户端都被设计为严格检查并限制每个Znode的数据大小至多1M，当时常规使用中应该远小于此值。
• Znode通过路径引用，如同Unix中的文件路径。路径必须是绝对的，因此他们必须由斜杠字符来开头。除此以外，他们必须是唯一的，也就是说每一个路径只有一个表示，因此这些路径不能改变。在ZooKeeper中，路径由Unicode字符串组成，并且有一些限制。字符串"/zookeeper"用以保存管理信息，比如关键配额信息。

  
  每个Znode由3部分组成:
  ① stat：此为状态信息, 描述该Znode的版本, 权限等信息
  ② data：与该Znode关联的数据
  ③ children：该Znode下的子节点

1. 节点类型

Znode有两种，分别为临时节点和持久化节点。节点的类型在创建时即被确定，并且不能改变。

• 临时节点：该节点的生命周期依赖于创建它们的会话。一旦会话结束，临时节点将被自动删除，当然可以也可以手动删除。临时节点不允许拥有子节点。
• 持久化节点：该节点的生命周期不依赖于会话，并且只有在客户端显示执行删除操作的时候，他们才能被删除。

Znode还有一个顺序特性，如果创建的时候指定的话，该Znode的名字后面会自动追加一个不断增加的***。***对于此节点的父节点来说是唯一的，这样便会记录每个子节点创建的先后顺序。它的格式为“%10d”(10位数字，没有数值的数位用0补充，例如“0000000001”)。

这样便会存在四种类型的Znode节点，分别对应：
持久化节点（PERSISTENT）、临时节点（EPHEMERAL）、持久化顺序节点（PERSISTENT_SEQUENTIAL）、临时顺序节点（EPHEMERAL_SEQUENTIAL）

2. 节点属性

每个znode都包含了一系列的属性，通过命令get，可以获得节点的属性。
dataVersion：数据版本号，每次对节点进行set操作，dataVersion的值都会增加1（即使设置的是相同的数据），可有效避免了数据更新时出现的先后顺序问题。
cversion ：子节点的版本号。当znode的子节点有变化时，cversion 的值就会增加1。
cZxid ：Znode创建的事务id。
mZxid ：Znode被修改的事务id，即每次对znode的修改都会更新mZxid。
对于zk来说，每次的变化都会产生一个唯一的事务id，zxid（ZooKeeper Transaction Id）。通过zxid，可以确定更新操作的先后顺序。例如，如果zxid1小于zxid2，说明zxid1操作先于zxid2发生，zxid对于整个zk都是唯一的，即使操作的是不同的znode。
ctime：节点创建时的时间戳.
mtime：节点最新一次更新发生时的时间戳.
ephemeralOwner：如果该节点为临时节点, ephemeralOwner值表示与该节点绑定的session id. 如果不是, ephemeralOwner值为0.
在client和server通信之前,首先需要建立连接,该连接称为session。连接建立后,如果发生连接超时、授权失败,或者显式关闭连接,连接便处于CLOSED状态, 此时session结束。

五、Zookeeper选举机制

zookeeper默认的算法是FastLeaderElection，采用投票数大于半数则胜出的逻辑。

1. 概念

• 服务器ID
  比如有三台服务器，编号分别是1,2,3。
  编号越大在选择算法中的权重越大。
• 选举状态
  LOOKING，竞选状态。
  FOLLOWING，随从状态，同步leader状态，参与投票。
  OBSERVING，观察状态,同步leader状态，不参与投票。
  LEADING，领导者状态。
• 数据ID
  服务器中存放的最新数据version。
  值越大说明数据越新，在选举算法中数据越新权重越大。
• 逻辑时钟
  也叫投票的次数，同一轮投票过程中的逻辑时钟值是相同的。每投完一次票这个数据就会增加，然后与接收到的其它服务器返回的投票信息中的数值相比，根据不同的值做出不同的判断。

2. 全新集群选举

假设目前有5台服务器，每台服务器均没有数据，它们的编号分别是1,2,3,4,5,按编号依次启动，它们的选择举过程如下：

• 服务器1启动，给自己投票，然后发投票信息，由于其它机器还没有启动所以它收不到反馈信息，服务器1的状态一直属于Looking。
• 服务器2启动，给自己投票，同时与之前启动的服务器1交换结果，由于服务器2的编号大所以服务器2胜出，但此时投票数没有大于半数，所以两个服务器的状态依然是LOOKING。
• 服务器3启动，给自己投票，同时与之前启动的服务器1,2交换信息，由于服务器3的编号最大所以服务器3胜出，此时投票数正好大于半数，所以服务器3成为领导者，服务器1,2成为小弟。
• 服务器4启动，给自己投票，同时与之前启动的服务器1,2,3交换信息，尽管服务器4的编号大，但之前服务器3已经胜出，所以服务器4只能成为小弟。
• 服务器5启动，后面的逻辑同服务器4成为小弟。

3. 非全新集群选举

对于运行正常的zookeeper集群，中途有机器down掉，需要重新选举时，选举过程就需要加入数据ID、服务器ID和逻辑时钟。

• 数据ID：数据新的version就大，数据每次更新都会更新version。
• 服务器ID：就是我们配置的myid中的值，每个机器一个。
  = 逻辑时钟：这个值从0开始递增,每次选举对应一个值。 如果在同一次选举中,这个值是一致的。

这样选举的标准就变成：

• 逻辑时钟小的选举结果被忽略，重新投票；
• 统一逻辑时钟后，数据id大的胜出；
• 数据id相同的情况下，服务器id大的胜出；

根据这个规则选出leader。