事务日志
在配置Zookeeper集群时需要配置dataDir目录，其用来存储事务日志文件。也可以为事务日志单独分配一个文件存储目录:dataLogDir。若配置dataLogDir为/tmp/zkData/zk_log，那么Zookeeper在运行过程中会在该目录下建立一个名字为version-2的子目录，该目录确定了当前Zookeeper使用的事务日志格式版本号，当下次某个Zookeeper版本对事务日志格式进行变更时，此目录也会变更，即在version-2子目录下会生成一系列文件大小一致(64MB)的文件。
事务日志记录了对Zookeeper的操作，命名为log.ZXID,后缀是一个事务ID。并且是写入该事务日志文件第一条事务记录的ZXID，使用ZXID作为文件后缀，可以帮助我们迅速定位到某一个事务操作所在的事务日志。同时，使用ZXID作为事务日志后缀的另一个优势是：ZXID本身由两部分组成，高32位代表当前leader周期（epoch）,低32位则是真正的操作序列号，因此，将ZXID作为文件后缀，我们就可以清楚地看出当前运行时的zookeeper的leader周期。
事务日志的写入是采用了磁盘预分配的策略。因为事务日志的写入性能直接决定看Zookeeper服务器对事务请求的响应，也就是说事务写入可被看做是一个磁盘IO过程，所以为了提高性能，避免磁盘寻址seek所带来的性能下降，所以zk在创建事务日志的时候就会进行文件空间“预分配”，即：在文件创建之初就想操作系统预分配一个很大的磁盘块，默认是64M，而一旦已分配的文件空间不足4KB时，那么将会再次进行预分配，再申请64M空间。
日志写入过程
FileTxnLog负责维护事务日志对外的接口，包括事务日志的写入和读取等。Zookeeper的事务日志写入过程大体可以分为如下6个步骤。
(1) 确定是否有事务日志可写。当Zookeeper服务器启动完成需要进行第一次事务日志的写入，或是上一次事务日志写满时，都会处于与事务日志文件断开的状态，即Zookeeper服务器没有和任意一个日志文件相关联。因此在进行事务日志写入前，Zookeeper首先会判断FileTxnLog组件是否已经关联上一个可写的事务日志文件。若没有，则会使用该事务操作关联的ZXID作为后缀创建一个事务日志文件，同时构建事务日志的文件头信息，并立即写入这个事务日志文件中去，同时将该文件的文件流放入streamToFlush集合，该集合用来记录当前需要强制进行数据落盘的文件流。
(2) 确定事务日志文件是否需要扩容(预分配)。Zookeeper会采用磁盘空间预分配策略。当检测到当前事务日志文件剩余空间不足4096字节时，就会开始进行文件空间扩容，即在现有文件大小上，将文件增加65536KB(64MB)，然后使用"0"填充被扩容的文件空间。
(3) 事务序列化。对事务头和事务体的序列化，其中事务体又可分为会话创建事务、节点创建事务、节点删除事务、节点数据更新事务等。
(4) 生成Checksum。为保证日志文件的完整性和数据的准确性，Zookeeper在将事务日志写入文件前，会计算生成Checksum。
(5) 写入事务日志文件流。将序列化后的事务头、事务体和Checksum写入文件流中，此时并为写入到磁盘上。
(6) 事务日志刷入磁盘。由于步骤5中的缓存原因，无法实时地写入磁盘文件中，因此需要将缓存数据强制刷入磁盘。
数据快照
数据快照是Zookeeper数据存储中非常核心的运行机制，数据快照用来记录Zookeeper服务器上某一时刻的全量内存数据内容，并将其写入指定的磁盘文件中。也是使用ZXID来作为文件后缀名，并没有采用磁盘预分配的策略，因此数据快照文件在一定程度上反映了当前zookeeper的全量数据大小。
与事务文件类似，Zookeeper快照文件也可以指定特定磁盘目录，通过dataDir属性来配置。若指定dataDir为/tmp/zkData/zk_data，则在运行过程中会在该目录下创建version-2的目录，该目录确定了当前Zookeeper使用的快照数据格式版本号。在Zookeeper运行时，会生成一系列文件。
针对客户端的每一次事务操作，Zookeeper都会将他们记录到事务日志中，同时也会将数据变更应用到内存数据库中，Zookeeper在进行若干次（snapCount）事务日志记录后，将内存数据库的全量数据Dump到本地文件中，这就是数据快照。
过半随机策略：每进行一次事务记录后，Zookeeper都会检测当前是否需要进行数据快照。理论上进行snapCount次事务操作就会开始数据快照，但是考虑到数据快照对于Zookeeper所在机器的整体性能的影响，需要避免Zookeeper集群中所有机器在同一时刻进行数据快照。因此zk采用“过半随机”的策略，来判断是否需要进行数据快照。即：符合如下条件就可进行数据快照：
logCount > (snapCount / 2 + randRoll)
randRoll为1~snapCount / 2之间的随机数。这种策略避免了zk集群的所有机器在同一时刻都进行数据快照，影响整体性能。
开始快照时，首先关闭当前日志文件（已经到了该快照的数了），重新创建一个新的日志文件，创建单独的异步线程来进行数据快照以避免影响Zookeeper主流程，从内存中获取zookeeper的全量数据和校验信息，并序列化写入到本地磁盘文件中，以本次写入的第一个事务ZXID作为后缀。
快照写入过程
Zookeeper在进行若干次事务日志记录后，将内存数据库的全量数据Dump到本地文件中，这就是数据快照。其步骤如下
(1) 确定是否需要进行数据快照。每进行一次事务日志记录之后，Zookeeper都会检测当前是否需要进行数据快照，考虑到数据快照对于Zookeeper机器的影响，需要尽量避免Zookeeper集群中的所有机器在同一时刻进行数据快照。采用过半随机策略进行数据快照操作。
(2) 切换事务日志文件。表示当前的事务日志已经写满，需要重新创建一个新的事务日志。
(3) 创建数据快照异步线程。创建单独的异步线程来进行数据快照以避免影响Zookeeper主流程。
(4) 获取全量数据和会话信息。从ZKDatabase中获取到DataTree和会话信息。
(5) 生成快照数据文件名。Zookeeper根据当前已经提交的最大ZXID来生成数据快照文件名。
(6) 数据序列化。首先序列化文件头信息，然后再对会话信息和DataTree分别进行序列化，同时生成一个Checksum，一并写入快照数据文件中去。
数据恢复
在Zookeeper服务器启动期间，首先会进行数据初始化工作，用于将存储在磁盘上的数据文件加载到Zookeeper服务器内存中。
数据的初始化工作是从磁盘上加载数据的过程，主要包括了从快照文件中加载快照数据和根据实物日志进行数据修正两个过程。
(1) 初始化FileTxnSnapLog。FileTxnSnapLog是Zookeeper事务日志和快照数据访问层，用于衔接上层业务和底层数据存储，底层数据包含了事务日志和快照数据两部分。FileTxnSnapLog中对应FileTxnLog和FileSnap。
(2) 初始化ZKDatabase。首先构建DataTree，同时将FileTxnSnapLog交付ZKDatabase，以便内存数据库能够对事务日志和快照数据进行访问。在ZKDatabase初始化时，DataTree也会进行相应的初始化工作，如创建一些默认结点，如/、/zookeeper、/zookeeper/quota三个节点。
(3) 创建PlayBackListener。其主要用来接收事务应用过程中的回调，在Zookeeper数据恢复后期，会有事务修正过程，此过程会回调PlayBackListener来进行对应的数据修正。
(4) 处理快照文件。此时可以从磁盘中恢复数据了，首先从快照文件开始加载。
(5) 获取最新的100个快照文件。更新时间最晚的快照文件包含了最新的全量数据。
(6) 解析快照文件。逐个解析快照文件，此时需要进行反序列化，生成DataTree和sessionsWithTimeouts，同时还会校验Checksum及快照文件的正确性。对于100个快找文件，如果正确性校验通过时，通常只会解析最新的那个快照文件。只有最新快照文件不可用时，才会逐个进行解析，直至100个快照文件全部解析完。若将100个快照文件解析完后还是无法成功恢复一个完整的DataTree和sessionWithTimeouts，此时服务器启动失败。
(7) 获取最新的ZXID。此时根据快照文件的文件名即可解析出最新的ZXID：zxid_for_snap。该ZXID代表了Zookeeper开始进行数据快照的时刻。
(8) 处理事务日志。此时服务器内存中已经有了一份近似全量的数据，现在开始通过事务日志来更新增量数据。
(9) 获取所有zxid_for_snap之后提交的事务。此时，已经可以获取快照数据的最新ZXID。只需要从事务日志中获取所有ZXID比步骤7得到的ZXID大的事务操作。
(10) 事务应用。获取大于zxid_for_snap的事务后，将其逐个应用到之前基于快照数据文件恢复出来的DataTree和sessionsWithTimeouts。每当有一个事务被应用到内存数据库中后，Zookeeper同时会回调PlayBackListener，将这事务操作记录转换成Proposal，并保存到ZKDatabase的committedLog中，以便Follower进行快速同步。
(11) 获取最新的ZXID。待所有的事务都被完整地应用到内存数据库中后，也就基本上完成了数据的初始化过程，此时再次获取ZXID，用来标识上次服务器正常运行时提交的最大事务ID。
(12) 校验epoch。epoch标识了当前Leader周期，集群机器相互通信时，会带上这个epoch以确保彼此在同一个Leader周期中。完成数据加载后，Zookeeper会从步骤11中确定ZXID中解析出事务处理的Leader周期：epochOfZxid。同时也会从磁盘的currentEpoch和acceptedEpoch文件中读取上次记录的最新的epoch值，进行校验。
//QuorumPeer.start() -> loadDataBase() -> ZKDatabase.loadDataBase() -> FileTxnSnapLog.restore()
public long restore(DataTree dt, Map<Long, Integer> sessions, PlayBackListener listener) throws IOException {
long snapLoadingStartTime = Time.currentElapsedTime();
long deserializeResult = snapLog.deserialize(dt, sessions);//反序列化snap
ServerMetrics.getMetrics().STARTUP_SNAP_LOAD_TIME.add(Time.currentElapsedTime() - snapLoadingStartTime);
FileTxnLog txnLog = new FileTxnLog(dataDir);
boolean trustEmptyDB;
File initFile = new File(dataDir.getParent(), "initialize");
if (Files.deleteIfExists(initFile.toPath())) {
LOG.info("Initialize file found, an empty database will not block voting participation");
trustEmptyDB = true;
} else {
trustEmptyDB = autoCreateDB;
}
RestoreFinalizer finalizer = () -> {
long highestZxid = fastForwardFromEdits(dt, sessions, listener);//处理事务日志
// The snapshotZxidDigest will reset after replaying the txn of the
// zxid in the snapshotZxidDigest, if it's not reset to null after
// restoring, it means either there are not enough txns to cover that
// zxid or that txn is missing
DataTree.ZxidDigest snapshotZxidDigest = dt.getDigestFromLoadedSnapshot();
if (snapshotZxidDigest != null) {
LOG.warn(
"Highest txn zxid 0x{} is not covering the snapshot digest zxid 0x{}, "
+ "which might lead to inconsistent state",
Long.toHexString(highestZxid),
Long.toHexString(snapshotZxidDigest.getZxid()));
}
return highestZxid;
};
return finalizer.run();
}
数据清理
Zookeeper将快照数据和事务日志分别存在dataDir和dataLogDir两个目录，正常运行过程中，Zookeeper会不断的把快照数据和事务日志输出到两个这两个目录中。如果没有人操作 的话，那么这个目录的内容会越累越多。 使用自动清理机制，配置autoPurge.snapRetainCount和autoPurge.purgeInterval两个参数进行自动化清理。这两个参数会在zookeeper启动后，读入，并单独起线程执行。
