ZooKeeper FastLeader 选举

ZooKeeper 在集群模式下默认会使用 FastLeader 算法来选举 leader。下面将说说 ZooKeeper 集群使用 FastLeader 算法选举的具体过程。写的过程中参考了多篇文章,详见文末的参考资料。

首先需要明确几个概念:

  • 节点状态:每个集群中的节点都有一个状态 LOOKING/FOLLOWING/LEADING/OBSERVING。每个节点启动的时候都是 LOOKING 状态,如果这个节点参与选举但最后不是leader,则状态是 FOLLOWING,如果不参与选举则是 OBSERVING,leader 的状态是 LEADING。
  • epoch: 表示选举轮数。
  • zxid: 事务 zxid 包含了本地数据的最后更新时间相关的信息。
  • serverid: 当前 server 的 ID, 通过配置文件指定(比如: echo '1' > myid)。

先用文字描述一下大概的选举思想:

  • 在没有遇到比我牛的人之前,第一票推荐我自己
  • 当接收到其他人的选举信息时,如果他们推荐的人没我牛,那我还是推荐我自己
  • 我有一个票箱,保存了当前这一轮选举中自己的推荐人以及接收到的推荐人信息,一人一票,重复或过期的票概不接受
  • 当我发现了比我牛的人的时候,改为推荐这个牛人
  • 如果我发现我的选举轮数落后了,清空票箱,改为推荐接收到的最新选举中大家推荐的最牛的那个人(如果没有人比我牛,那还是推荐我自己)
  • 不断的重复上面的过程,不断的告诉别人“我的投票是第几轮”、“我推举的人是谁”。直到我的票箱中“我推举的最牛的人”收到了不少于 N / 2 + 1 的推举投票,此时这个人就是我认定的最终 leader。
  • 当我确定了谁是最终 leader 并且这个 leader 一切正常,我就更新我的状态为 FOLLOWING/LEADING(我自己是最终 leader 则是 LEADING 否则就是 FOLLOWING),之后的选举中都直接反馈我确定的这个最终 leader。

那么,以什么标准来确定一个节点可以成为一个 leader 呢? 依次比较 epoch, zxid, serverid :

  • 接收到的消息中,有 epoch 比我大的,则选 epoch 大的消息中确定的 server
  • 如果 epoch 相等,则选 zxid 最大的 server
  • 如果 zxid 也相等,则选 serverid 最大的 server (有的节点生来就是当 leader 的 😂)
switch (n.state) {
//LOOKING消息,则
case LOOKING:
......
    //检查下收到的这张选票是否可以胜出,依次比较选举轮数epoch,事务zxid,服务器编号server id
    } else if (totalOrderPredicate(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch,
            proposedLeader, proposedZxid, proposedEpoch)) {
        //胜出了,就把自己的投票修改为对方的,然后广播消息
        updateProposal(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch);
        sendNotifications();
    }
}

protected boolean totalOrderPredicate(long newId, long newZxid, long newEpoch, long curId, long curZxid, long curEpoch) {
    return (
        (newEpoch > curEpoch) ||
        ((newEpoch == curEpoch) &&
        ((newZxid > curZxid) || ((newZxid == curZxid) &&
        (newId > curId))))
    );
    }

从网上找了一个流程图,可以看看:

flow.png

举个例子,理想情况下,先后启动三个节点的选举过程如下:

  • 第一轮:每个节点广播选自己(此时只有 node1)
  • 第二轮:node2 启动了,发起一轮投票。node1 收到了 node2 选它自己的投票,发现 node2 比自己牛,广播选 node2。此时 node1 发现 node2 获得了2票 >= N / 2 + 1,认定 node2 为 leader 进入 following 状态。 node2 收到了 node1 选自己的广播,此时 node2 发现自己 获得了2票 >= N / 2 + 1,进入 leading 状态。
  • 第三轮:node3 启动了,发起一轮投票。node1 和 node2 都选 node2 , node3 通过比对发现 node2 的票数 >= N /2 + 1,认定 node2 是 leader 进入 following 状态。

上面就是 FastLeader 算法选举的简单介绍了,更详细的信息可以查阅官方文档和代码。

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