在大數據生態當中，分布式集群當中的一個重要組件，就是Zookeeper，作為集群運行的重要管理者，正如其名字“動物園管理員”所示，負責集群運行的諸多事宜。今天的大數據學習分享，我們就來具體講講，ZooKeeper工作原理。

在Zookeeper的工作流程當中，各個節點當中，主要涉及到三個角色和四種狀態，這也是構成Zookeeper體系架構的重要組成部分。

ZooKeeper角色和狀態

角色：Leader，Follower，Observer。

狀態：Leading，Following，Observing，Looking。

Looking：當前Server不知道Leader是誰，正在搜尋。

Leading：當前Server即為選舉出來的Leader。

Following：Leader已經選舉出來，當前Server與之同步。

Observing：Observer的行為在大多數情況下與Follower完全一致，但是他們不參加選舉和投票，而僅僅接受(observing)選舉和投票的結果。

Zookeeper工作流程

Leader Election

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。

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。

Leader工作流程

Leader主要有三個功能：
恢復數據；
維持與Follower的心跳，接收Follower請求并判斷Follower的請求消息類型；
Follower的消息類型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息，根據不同的消息類型，進行不同的處理。

Follower主要有四個功能：
向Leader發送請求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
接收Leader消息并進行處理；
接收Client的請求，如果為寫請求，發送給Leader進行投票；
返回Client結果。

Follower的消息循環處理如下幾種來自Leader的消息：
PING消息：心跳消息
PROPOSAL消息：Leader發起的提案，要求Follower投票
COMMIT消息：服務器端最新一次提案的信息
UPTODATE消息：表明同步完成
REVALIDATE消息：根據Leader的REVALIDATE結果，關閉待revalidate的session還是允許其接受消息
SYNC消息：返回SYNC結果到客戶端，這個消息最初由客戶端發起，用來強制得到最新的更新。

Zab協議（ZooKeeper Atomic Broadcast protocol）

Zookeeper的核心是原子廣播，這個機制保證了各個Server之間的同步。Zab協議有兩種模式，它們分別是恢復模式（Recovery選主）和廣播模式（Broadcast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。