Zookeeper工作原理（详细）
1、Zookeeper的角色
» 领导者（leader），负责进行投票的发起和决议，更新系统状态
» 学习者（learner），包括跟随者（follower）和观察者（observer），follower用于接受客户端请求并想客户端返回结果，在选主过程中参与投票
» Observer可以接受客户端连接，将写请求转发给leader，但observer不参加投票过程，只同步leader的状态，observer的目的是为了扩展系统，提高读取速度
» 客户端（client），请求发起方
• Zookeeper的核心是原子广播，这个机制保证了各个Server之间的同步。实现这个机制的协议叫做Zab协
议。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（选主）和广播模式（同步）。当服务启动或者在领导者
崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，且大多数Server完成了和leader的状态同步以后
，恢复模式就结束了。状态同步保证了leader和Server具有相同的系统状态。
• 为了保证事务的顺序一致性，zookeeper采用了递增的事务id号（zxid）来标识事务。所有的提议（
proposal）都在被提出的时候加上了zxid。实现中zxid是一个64位的数字，它高32位是epoch用来标识
leader关系是否改变，每次一个leader被选出来，它都会有一个新的epoch，标识当前属于那个leader的
统治时期。低32位用于递增计数。
• 每个Server在工作过程中有三种状态：
LOOKING：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻
LEADING：当前Server即为选举出来的leader
FOLLOWING：leader已经选举出来，当前Server与之同步
其他文档：http://www.cnblogs.com/lpshou/archive/2013/06/14/3136738.html
2、Zookeeper 的读写机制
» Zookeeper是一个由多个server组成的集群
» 一个leader，多个follower
» 每个server保存一份数据副本
» 全局数据一致
» 分布式读写
» 更新请求转发，由leader实施
3、Zookeeper 的保证
» 更新请求顺序进行，来自同一个client的更新请求按其发送顺序依次执行
» 数据更新原子性，一次数据更新要么成功，要么失败
» 全局唯一数据视图，client无论连接到哪个server，数据视图都是一致的，利用zxid递增原理。
» 实时性，在一定时间范围内，client能读到最新数据，弱顺序一致性。只需要过半同步数据就可以。
4、Zookeeper节点数据操作流程
注：1.在Client向Follwer发出一个写的请求
2.Follwer把请求发送给Leader
3.Leader接收到以后开始发起投票并通知Follwer进行投票
4.Follwer把投票结果发送给Leader
5.Leader将结果汇总后如果需要写入，则开始写入同时把写入操作通知给Leader，然后commit;
6.Follwer把请求结果返回给Client
• Follower主要有四个功能：
• 1. 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
• 2 .接收Leader消息并进行处理；
• 3 .接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；
• 4 .返回Client结果。
• Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：
• 1 .PING消息： 心跳消息；
• 2 .PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；
• 3 .COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；
• 4 .UPTODATE消息：表明同步完成；
• 5 .REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；
• 6 .SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。
5、Zookeeper leader 选举
• 半数通过
– 3台机器 挂一台 2>3/2
– 4台机器 挂2台 2！>4/2
• A提案说，我要选自己，B你同意吗？C你同意吗？B说，我同意选A；C说，我同意选A。(注意，这里超过半数了，其实在现实世界选举已经成功了。
但是计算机世界是很严格，另外要理解算法，要继续模拟下去。)
• 接着B提案说，我要选自己，A你同意吗；A说，我已经超半数同意当选，你的提案无效；C说，A已经超半数同意当选，B提案无效。
• 接着C提案说，我要选自己，A你同意吗；A说，我已经超半数同意当选，你的提案无效；B说，A已经超半数同意当选，C的提案无效。
• 选举已经产生了Leader，后面的都是follower，只能服从Leader的命令。而且这里还有个小细节，就是其实谁先启动谁当头。
选举三个步骤：1、先比较epoch，大的是leader。2、比较zxid大小 ，大的是leader。3、比较myid，大的是leader。
6、zxid
• znode节点的状态信息中包含czxid, 那么什么是zxid呢?
• ZooKeeper状态的每一次改变, 都对应着一个递增的Transaction id, 该id称为zxid. 由于zxid的递增性质, 如果zxid1小于zxid2, 那么zxid1肯定先于zxid2发生.
创建任意节点, 或者更新任意节点的数据, 或者删除任意节点, 都会导致Zookeeper状态发生改变, 从而导致zxid的值增加.
7、Zookeeper工作原理
» Zookeeper的核心是原子广播，这个机制保证了各个server之间的同步。实现这个机制的协议叫做Zab协议。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式和广播模式。
当服务启动或者在领导者崩溃后，Zab就进入了恢复模式，当领导者被选举出来，且大多数server的完成了和leader的状态同步以后，恢复模式就结束了。 状态同步保证了leader和server具有相同的系统状态
» 一旦leader已经和多数的follower进行了状态同步后，他就可以开始广播消息了，即进入广播状态。这时候当一个server加入zookeeper服务中，它会在恢复模式下启动，发现leader，并和leader进行状态同步。待到同步结束，它也参与消息广播。Zookeeper服务一直维持在Broadcast状态，直到leader崩溃了或者leader失去了大部分的followers支持。
» 广播模式需要保证proposal被按顺序处理，因此zk采用了递增的事务id号(zxid)来保证。所有的提议(proposal)都在被提出的时候加上了zxid。实现中zxid是一个64为的数字，它高32位是epoch用来标识leader关系是否改变，每次一个leader被选出来，它都会有一个新的epoch。低32位是个递增计数。
» 当leader崩溃或者leader失去大多数的follower，这时候zk进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的leader，让所有的server都恢复到一个正确的状态。
» 每个Server启动以后都询问其它的Server它要投票给谁。
» 对于其他server的询问，server每次根据自己的状态都回复自己推荐的leader的id和上一次处理事务的zxid（系统启动时每个server都会推荐自己）
» 收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的哪个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server。
» 计算这过程中获得票数最多的的sever为获胜者，如果获胜者的票数超过半数，则改server被选为leader。否则，继续这个过程，直到leader被选举出来
» leader就会开始等待server连接
» Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader
» Leader根据follower的zxid确定同步点
» 完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态
» Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了
8、数据一致性与paxos 算法
• 据说Paxos算法的难理解与算法的知名度一样令人敬仰，所以我们先看如何保持数据的一致性，这里有个原则就是：
• 在一个分布式数据库系统中，如果各节点的初始状态一致，每个节点都执行相同的操作序列，那么他们最后能得到一个一致的状态。
• Paxos算法解决的什么问题呢，解决的就是保证每个节点执行相同的操作序列。好吧，这还不简单，master维护一个
全局写队列，所有写操作都必须 放入这个队列编号，那么无论我们写多少个节点，只要写操作是按编号来的，就能保证一
致性。没错，就是这样，可是如果master挂了呢。
• Paxos算法通过投票来对写操作进行全局编号，同一时刻，只有一个写操作被批准，同时并发的写操作要去争取选票，
只有获得过半数选票的写操作才会被 批准（所以永远只会有一个写操作得到批准），其他的写操作竞争失败只好再发起一
轮投票，就这样，在日复一日年复一年的投票中，所有写操作都被严格编号排 序。编号严格递增，当一个节点接受了一个
编号为100的写操作，之后又接受到编号为99的写操作（因为网络延迟等很多不可预见原因），它马上能意识到自己 数据
不一致了，自动停止对外服务并重启同步过程。任何一个节点挂掉都不会影响整个集群的数据一致性（总2n+1台，除非挂掉大于n台）。
总结
• Zookeeper 作为 Hadoop 项目中的一个子项目，是 Hadoop 集群管理的一个必不可少的模块，它主要用来控制集群中的数据，如它管理 Hadoop 集群中的 NameNode，还有 Hbase 中 Master Election、Server 之间状态同步等。
9、Observer
• Zookeeper需保证高可用和强一致性；
• 为了支持更多的客户端，需要增加更多Server；
• Server增多，投票阶段延迟增大，影响性能；
• 权衡伸缩性和高吞吐率，引入Observer
• Observer不参与投票；
• Observers接受客户端的连接，并将写请求转发给leader节点；
• 加入更多Observer节点，提高伸缩性，同时不影响吞吐率
10、 为什么zookeeper集群的数目，一般为奇数个？
•Leader选举算法采用了Paxos协议；
•Paxos核心思想：当多数Server写成功，则任务数据写成功如果有3个Server，则两个写成功即可；如果有4或5个Server，则三个写成功即可。
•Server数目一般为奇数（3、5、7）如果有3个Server，则最多允许1个Server挂掉；如果有4个Server，则同样最多允许1个Server挂掉由此，
我们看出3台服务器和4台服务器的的容灾能力是一样的，所以为了节省服务器资源，一般我们采用奇数个数，作为服务器部署个数。
11、Zookeeper 的数据模型
» 层次化的目录结构，命名符合常规文件系统规范
» 每个节点在zookeeper中叫做znode,并且其有一个唯一的路径标识
» 节点Znode可以包含数据和子节点，但是EPHEMERAL类型的节点不能有子节点
» Znode中的数据可以有多个版本，比如某一个路径下存有多个数据版本，那么查询这个路径下的数据就需要带上版本
» 客户端应用可以在节点上设置监视器
» 节点不支持部分读写，而是一次性完整读写
12、Zookeeper 的节点
» Znode有两种类型，短暂的（ephemeral）和持久的（persistent）
» Znode的类型在创建时确定并且之后不能再修改
» 短暂znode的客户端会话结束时，zookeeper会将该短暂znode删除，短暂znode不可以有子节点
» 持久znode不依赖于客户端会话，只有当客户端明确要删除该持久znode时才会被删除
» Znode有四种形式的目录节点
» PERSISTENT（持久的）
» EPHEMERAL(暂时的)
» PERSISTENT_SEQUENTIAL（持久化顺序编号目录节点）
» EPHEMERAL_SEQUENTIAL（暂时化顺序编号目录节点）
关于Paxos算法可以查看文章 Zookeeper全解析——Paxos作为灵魂
Paxos描述了这样一个场景，有一个叫做Paxos的小岛(Island)上面住了一批居民，岛上面所有的事情由一些特殊的人决定，他们叫做*(Senator)。*的总数(Senator Count)是确定的，不能更改。岛上每次环境事务的变更都需要通过一个提议(Proposal)，每个提议都有一个编号(PID)，这个编号是一直增长的，不能倒退。每个提议都需要超过半数((Senator Count)/2 +1)的*同意才能生效。每个*只会同意大于当前编号的提议，包括已生效的和未生效的。如果*收到小于等于当前编号的提议，他会拒绝，并告知对方：你的提议已经有人提过了。这里的当前编号是每个*在自己记事本上面记录的编号，他不断更新这个编号。整个议会不能保证所有*记事本上的编号总是相同的。现在议会有一个目标：保证所有的*对于提议都能达成一致的看法。好，现在议会开始运作，所有*一开始记事本上面记录的编号都是0。有一个*发了一个提议：将电费设定为1元/度。他首先看了一下记事本，嗯，当前提议编号是0，那么我的这个提议的编号就是1，于是他给所有*发消息：1号提议，设定电费1元/度。其他*收到消息以后查了一下记事本，哦，当前提议编号是0，这个提议可接受，于是他记录下这个提议并回复：我接受你的1号提议，同时他在记事本上记录：当前提议编号为1。发起提议的*收到了超过半数的回复，立即给所有人发通知：1号提议生效！收到的*会修改他的记事本，将1好提议由记录改成正式的法令，当有人问他电费为多少时，他会查看法令并告诉对方：1元/度。现在看冲突的解决：假设总共有三个*S1-S3，S1和S2同时发起了一个提议:1号提议，设定电费。S1想设为1元/度, S2想设为2元/度。结果S3先收到了S1的提议，于是他做了和前面同样的操作。紧接着他又收到了S2的提议，结果他一查记事本，咦，这个提议的编号小于等于我的当前编号1，于是他拒绝了这个提议：对不起，这个提议先前提过了。于是S2的提议被拒绝，S1正式发布了提议: 1号提议生效。S2向S1或者S3打听并更新了1号法令的内容，然后他可以选择继续发起2号提议。
好，我觉得Paxos的精华就这么多内容。现在让我们来对号入座，看看在ZK Server里面Paxos是如何得以贯彻实施的。
小岛(Island)——ZK Server Cluster
*(Senator)——ZK Server
提议(Proposal)——ZNode Change(Create/Delete/SetData…)
提议编号(PID)——Zxid(ZooKeeper Transaction Id)
正式法令——所有ZNode及其数据
貌似关键的概念都能一一对应上，但是等一下，Paxos岛上的*应该是人人平等的吧，而ZK Server好像有一个Leader的概念。没错，其实Leader的概念也应该属于Paxos范畴的。如果*人人平等，在某种情况下会由于提议的冲突而产生一个“活锁”（所谓活锁我的理解是大家都没有死，都在动，但是一直解决不了冲突问题）。Paxos的作者Lamport在他的文章”The Part-Time Parliament“中阐述了这个问题并给出了解决方案——在所有*中设立一个总统，只有总统有权发出提议，如果*有自己的提议，必须发给总统并由总统来提出。好，我们又多了一个角色：总统。
总统——ZK Server Leader
又一个问题产生了，总统怎么选出来的？oh, my god! It’s a long story. 在淘宝核心系统团队的Blog上面有一篇文章是介绍如何选出总统的，有兴趣的可以去看看：http://rdc.taobao.com/blog/cs/?p=162现在我们假设总统已经选好了，下面看看ZK Server是怎么实施的。
情况一：
屁民甲(Client)到某个*(ZK Server)那里询问(Get)某条法令的情况(ZNode的数据)，*毫不犹豫的拿出他的记事本(local storage)，查阅法令并告诉他结果，同时声明：我的数据不一定是最新的。你想要最新的数据？没问题，等着，等我找总统Sync一下再告诉你。
情况二：
屁民乙(Client)到某个*(ZK Server)那里要求*归还欠他的一万元钱，*让他在办公室等着，自己将问题反映给了总统，总统询问所有*的意见，多数*表示欠屁民的钱一定要还，于是总统发表声明，从国库中拿出一万元还债，国库总资产由100万变成99万。屁民乙拿到钱回去了(Client函数返回)。
情况三：
总统突然挂了，*接二连三的发现联系不上总统，于是各自发表声明，推选新的总统，总统大选期间*停业，拒绝屁民的请求。