Zookeeper 集群中是怎样选举leader?

### Zookeeper 集群中的 Leader 选举 Zookeeper 集群在 Leader 崩溃或失去大多数 Follower 时，会进入恢复模式，需要重新选举出一个新的 Leader，所有 Server 都会进入 `LOOKING` 状态。Zookeeper 的 Leader 选举主要基于两种选举算法：基于 Basic Paxos 实现和基于 Fast Paxos 实现。Zookeeper 默认使用 Fast Paxos 选举算法。 #### 1. 服务器启动时期的 Leader 选举 当 Zookeeper 集群初始化时，服务器需要进行 Leader 选举。假设有三台机器组成的服务器集群，初始状态下，各服务器都会将自己作为 Leader 进行投票，选举过程如下： 1. **每个 Server 发出一个投票**： - 初始情况下，所有服务器都会将自己作为 Leader 进行投票。投票包含服务器的 myid 和 ZXID，用 (myid, ZXID) 表示。 - 例如：Server1 的投票为 (1, 0)，Server2 的投票为 (2, 0)，Server3 的投票为 (3, 0)。 2. **接受并处理投票**： - 每个服务器接收到其他服务器的投票后，会判断投票的有效性，并与自己的投票进行比较。 - 比较规则：优先比较 ZXID，ZXID 较大的服务器优先作为 Leader。如果 ZXID 相同，则比较 myid，myid 较大的服务器作为 Leader。 3. **更新投票**： - 如果接收到的投票优于自己的投票，则更新自己的投票。 - 例如：Server1 接收到 Server2 的投票 (2, 0)，比较后发现 Server2 的 myid 较大，则更新自己的投票为 (2, 0)。 4. **统计投票**： - 统计投票信息，判断是否有过半机器接受了相同的投票信息。 - 如果超过半数的服务器接受了相同的投票，则认为选出了 Leader。 5. **改变服务器状态**： - 确定 Leader 后，所有服务器更新自己的状态。如果是 Follower，则变更为 FOLLOWING，如果是 Leader，则变更为 LEADING。 #### 2. 服务器运行时期的 Leader 选举 在 Zookeeper 运行期间，Leader 服务器挂掉时，需要进行 Leader 选举。假设当前集群中有 Server1、Server2、Server3 三台服务器，当前 Leader 是 Server2，当 Server2 挂掉时，选举过程如下： 1. **变更状态**： - Leader 挂掉后，所有非 Observer 服务器将自己的状态变更为 LOOKING，并进入 Leader 选举过程。 2. **每个 Server 发出一个投票**： - 服务器根据当前的 ZXID 进行投票。例如：Server1 的 ZXID 为 123，Server3 的 ZXID 为 122。投票情况分别为 (1, 123)，(3, 122)。 3. **接受并处理投票**： - 处理方式与启动时期的 Leader 选举过程相同，优先比较 ZXID，如果 ZXID 相同，则比较 myid。 4. **统计投票**： - 与启动时期的 Leader 选举过程相同，统计投票信息，判断是否有过半机器接受了相同的投票信息。 5. **改变服务器状态**： - 确定 Leader 后，所有服务器更新自己的状态，Follower 变更为 FOLLOWING，Leader 变更为 LEADING。 #### 3. Leader 选举算法分析 Zookeeper 3.4.0 之后的版本只保留了 TCP 版本的 FastLeaderElection 选举算法。Leader 选举算法的步骤如下： 1. **第一次投票**： - 所有服务器处于 LOOKING 状态，发送第一次投票。投票中包含 SID（服务器的唯一标识）和 ZXID（事务 ID），形式为 (SID, ZXID)。 2. **变更投票**： - 接收并处理外部投票，根据以下规则进行比较： - 如果外部投票的 ZXID 大于内部投票的 ZXID，认可外部投票并发送。 - 如果外部投票的 ZXID 小于内部投票的 ZXID，保持内部投票不变。 - 如果 ZXID 相同，则比较 SID，SID 大的投票优先。 3. **确定 Leader**： - 统计投票信息，如果有过半数服务器接受了相同的投票，则确定该投票对应的服务器为 Leader。 4. **更新服务器状态**： - 确定 Leader 后，更新服务器状态，Follower 更新为 FOLLOWING，Leader 更新为 LEADING。 #### 4. Leader 选举实现细节 1. **服务器状态**： - LOOKING：寻找 Leader 状态。 - FOLLOWING：跟随者状态。 - LEADING：领导者状态。 - OBSERVING：观察者状态。 2. **投票数据结构**： - id：被推举的 Leader 的 SID。 - zxid：被推举的 Leader 事务 ID。 - electionEpoch：逻辑时钟，用来判断多个投票是否在同一轮选举周期中。 - peerEpoch：被推举的 Leader 的 epoch。 - state：当前服务器的状态。 3. **QuorumCnxManager：网络 I/O**： - 负责各台服务器之间的网络通信，管理消息接收和发送队列。 4. **FastLeaderElection：选举算法核心**： - 选票管理：管理发送和接收队列，处理外部和内部投票。 - 算法核心：自增选举轮次、初始化选票、发送选票、接收外部投票、判断选举轮次、选票 PK、变更投票、选票归档、统计投票、更新服务器状态。 通过上述步骤，Zookeeper 集群能够选举出新的 Leader，保证集群的正常运行。 参考[Zookeeper的Leader选举](https://www.cnblogs.com/leesf456/p/6107600.html)