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：

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：

• 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

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：

1. 1 .選舉線程由當前Server發起選舉的線程擔任，其主要功能是對投票結果進行統計，并選出推薦的Server；
2. 2 .選舉線程首先向所有Server發起一次詢問(包括自己)；
3. 3 .選舉線程收到回復后，驗證是否是自己發起的詢問(驗證zxid是否一致)，然后獲取對方的id(myid)，并存儲到當前詢問對象列表中，最后獲取對方提議的leader相關信息(id,zxid)，并將這些信息存儲到當次選舉的投票記錄表中；
4. 4.  收到所有Server回復以后，就計算出zxid最大的那個Server，并將這個Server相關信息設置成下一次要投票的Server；
5. 5.  線程將當前zxid最大的Server設置為當前Server要推薦的Leader，如果此時獲勝的Server獲得n/2 + 1的Server票數， 設置當前推薦的leader為獲勝的Server，將根據獲勝的Server相關信息設置自己的狀態，否則，繼續這個過程，直到leader被選舉出來。

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：

2.2 同步流程

選完leader以后，zk就進入狀態同步過程。

1. 1. leader等待server連接；
2. 2 .Follower連接leader，將最大的zxid發送給leader；
3. 3 .Leader根據follower的zxid確定同步點；
4. 4 .完成同步后通知follower 已經成為uptodate狀態；
5. 5 .Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的請求進行服務了。

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：

1. 1 .恢復數據；
2. 2 .維持與Learner的心跳，接收Learner請求并判斷Learner的請求消息類型；
3. 3 .Learner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。

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：

1. 1. 向Leader發送請求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
2. 2 .接收Leader消息并進行處理；
3. 3 .接收Client的請求，如果為寫請求，發送給Leader進行投票；
4. 4 .返回Client結果。

Follower的消息循環處理如下幾種來自Leader的消息：

1. 1 .PING消息： 心跳消息；
2. 2 .PROPOSAL消息：Leader發起的提案，要求Follower投票；
3. 3 .COMMIT消息：服務器端最新一次提案的信息；
4. 4 .UPTODATE消息：表明同步完成；
5. 5 .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；
6. 6 .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。

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。