zookeeper源码 — 二、集群启动—leader选举

释放双眼,带上耳机,听听看~!

上一篇介绍了zookeeper的单机启动,集群模式下启动和单机启动有相似的地方,但是也有各自的特点。集群模式的配置方式和单机模式也是不一样的,这一篇主要包含以下内容:

  • 概念介绍:角色,服务器状态

  • 服务器组件启动

  • leader选举

概念介绍:角色,服务器状态

集群模式会有多台server,每台server根据不同的角色会有不同的状态,server状态的定义如下

public enum ServerState {
    LOOKING, FOLLOWING, LEADING, OBSERVING;
}

LOOKING:表示服务器处于选举状态,说明集群正在进行投票选举,选出leader

FOLLOWING:表示服务器处于following状态,表示当前server的角色是follower

LEADING:表示服务器处于leading状态,当前server角色是leader

OBSERVING:表示服务器处于OBSERVING状态,当前server角色是OBSERVER

对应server的角色有:

leader

投票选出的leader,可以处理读写请求。处理写请求的时候收集各个参与投票者的选票,来决出投票结果

follower

作用:

  1. 参与leader选举,可能被选为leader
  2. 接收处理读请求
  3. 接收写请求,转发给leader,并参与投票决定写操作是否提交

observer

为了支持zk集群可扩展性,如果直接增加follower的数量,会导致投票的性能下降。也就是防止参与投票的server太多,导致leader选举收敛速度较慢,选举所需时间过长。

observer和follower类似,但是不参与选举和投票,

  1. 接收处理读请求
  2. 接收写请求,转发给leader,但是不参与投票,接收leader的投票结果,同步数据

这样在支持集群可扩展性的同时又不会影响投票的性能

服务器组件启动

集群模式下服务器启动的组件一部分和单机模式下类似,只是启动的流程和时机有所差别

  • FileTxnSnapLog
  • NIOServerCnxnFactory
  • Jetty

zookeeper源码 — 二、集群启动—leader选举

也是会启动上面三个组件,但是因为集群模式还有其他组件需要启动,所以具体启动的逻辑不太一样。

除了上面这些组件外,集群模式下还有一些用来支撑集群模式的组件

  • QuorumPeer:用来启动各个组件,是选举过程的mainloop,在loop中判断当前server状态来决定做不同的处理
  • FastLeaderElection:默认选举算法
  • QuorumCnxManager:选举过程中的网络通信组件

QuorumPeer

解除出来的QuorumPeerConfig配置都设置到QuorumPeer对应的属性中,主线程启动完QuorumPeer后,调用该线程的join方法等待该线程退出。

QuorumCnxManager

负责各个server之间的通信,维护了和各个server之间的连接,下面的线程负责与其他server建立连接

org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumCnxManager.Listener

还维护了与其他每个server连接对应的发送队列,SendWorker线程负责发送packet给其他server

final ConcurrentHashMap<Long, ArrayBlockingQueue<ByteBuffer>> queueSendMap;

这个map的key是建立网络连接的server的myid,value是对应的发送队列。

还有接收队列,RecvWorker是用来接收其他server发来的Message的线程,将收到的Message放入队列中

org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumCnxManager#recvQueue

leader选举

选举入口在下面的方法中

org.apache.zookeeper.server.quorum.FastLeaderElection#lookForLeader

判断投票结果的策略

上面这个是其中的一种选举算法,选举过程中,各个server收到投票后需要进行投票结果抉择,判断投票结果的策略有两种

// 按照分组权重
org.apache.zookeeper.server.quorum.flexible.QuorumHierarchical

// 简单按照是否是大多数,超过参与投票数的一半
org.apache.zookeeper.server.quorum.flexible.QuorumMaj

选票的网络传输

zookeeper中选举使用的端口和正常处理client请求的端口是不一样的,而且由于投票的数据和处理请求的数据不一样,数据传输的方法也不一样。选举使用的网络传输相关的类和数据结构如下

zookeeper源码 — 二、集群启动—leader选举

选举过程

  • 各自初始化选票

    • proposedLeader:一开始都是选举自己,myid
      • proposedZxid:最后一次处理成功的事务的zxid
      • proposedEpoch:上一次选举成功的leader的epoch,从currentEpoch 文件中读取
  • 发送自己的选票给其他参选者

  • 接收其他参选者的选票

    • 收到其他参选者的选票后会放入recvqueue,这个是阻塞队列,从里面超时获取

      • 如果超时没有获取到选票vote则采用退避算法,下次使用更长的超时时间

      • 校验选票的有效性,并且当前机器处于looking状态,开始判断是否接受

        • 如果收到的选票的electionEpoch大于当前机器选票的logicalclock

            • 进行选票pk,收到的选票和本机初始选票pk,如果收到的选票胜出则更新本地的选票为收到的选票

                • pk的算法

                    • org.apache.zookeeper.server.quorum.FastLeaderElection#totalOrderPredicate
                      • 选取epoch较大的
                      • 如果epoch相等则取zxid较大的
                      • 如果zxid相等则取myid较大的
              • 如果本机初始选票胜出则更新为当前机器的选票

              • 更新完选票之后重新发出自己的选票

        • 如果n.electionEpoch < logicalclock.get()则丢弃选票,继续准备接收其他选票
        • 如果n.electionEpoch == logicalclock.get()并且收到的选票pk(pk算法totalOrderPredicate)之后胜出

            • 更新本机选票并且,发送新的选票给其他参选者
          • 执行到这里,说明收到的这个选票有效,将选票记录下来,recvset

          • 统计选票

            • org.apache.zookeeper.server.quorum.FastLeaderElection#getVoteTracker
              • 看看已经收到的投票中,和当前机器选票一致的票数
          • 判断投票结果

            • org.apache.zookeeper.server.quorum.SyncedLearnerTracker#hasAllQuorums

              • 根据具体的策略判断

                • QuorumHierarchical

                  • QuorumMaj,默认是这个

                    • 判断投该票的主机数目是否占参与投票主机数的大部分,也就是大于1/2
              • 如果本轮选举成功

                • 如果等finalizeWait时间后还没有其他选票的时候,就认为当前选举结束
                  • 设置当前主机状态
                  • 退出本轮选举

选举的整个流程为

zookeeper源码 — 二、集群启动—leader选举

总结

集群启动过程其实就是在单机启动的部分基础上,增加了关于集群的一些组件,而且有leader的选举。

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