Zookeeper（85）Zookeeper的Leader选举算法是什么？

Zookeeper的Leader选举算法是Zab协议（Zookeeper Atomic Broadcast）的核心部分之一。Zab协议确保了在分布式系统中数据的一致性和可靠性。Zookeeper的Leader选举主要有两种算法：基于TCP的Leader选举算法和基于Fast Paxos的Leader选举算法。下面详细介绍基于Fast Paxos的Leader选举算法，并结合代码进行深入解释。

Fast Paxos Leader选举算法

Fast Paxos是Paxos算法的一个变种，旨在减少选举的延迟。Zookeeper使用一种改进的Fast Paxos算法来进行Leader选举。选举过程主要包括以下几个阶段：

1. LOOKING阶段：所有节点都在寻找新的Leader。
2. FOLLOWING/OBSERVING阶段：节点跟随或观察Leader。
3. LEADING阶段：节点成为Leader。

在LOOKING阶段，每个节点会向其他节点发送其自身的投票信息，包含如下内容：

• myid：节点的ID。
• zxid：节点的事务ID。
• epoch：选举轮次。

每个节点会根据收到的投票信息来决定是否改变自己的投票，直到选举出一个Leader。

代码示例

以下代码展示了Zookeeper中Fast Paxos Leader选举的核心部分。代码基于Zookeeper的FastLeaderElection类。

FastLeaderElection类

import java.io.IOException;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumPeer;
import org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumPeer.QuorumServer;
import org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumPeer.ServerState;

public class FastLeaderElection implements Election {

    QuorumPeer self;
    Messenger messenger;
    AtomicBoolean ongoing = new AtomicBoolean(false);

    public FastLeaderElection(QuorumPeer self) {
        this.self = self;
        this.messenger = new Messenger();
    }

    @Override
    public Vote lookForLeader() throws InterruptedException {
        self.setCurrentVote(new Vote(self.getId(), self.getLastLoggedZxid(), self.getPeerEpoch()));
        Map<Long, Vote> votes = new HashMap<>();

        while (self.getPeerState() == ServerState.LOOKING && ongoing.get()) {
            // 发送投票信息
            sendNotifications();

            // 接收投票信息
            Notification n = recvNotification();

            // 处理接收到的投票信息
            if (n != null) {
                votes.put(n.sid, new Vote(n.leader, n.zxid, n.electionEpoch, n.peerEpoch));

                // 计算新的投票
                Vote current = self.getCurrentVote();
                Vote newVote = getVote(votes);

                // 更新投票
                if (newVote != null && !newVote.equals(current)) {
                    self.setCurrentVote(newVote);
                }

                // 检查是否有足够的选票选出Leader
                if (haveEnoughVotes(votes, newVote)) {
                    self.setPeerState(newVote.leader == self.getId() ? ServerState.LEADING : ServerState.FOLLOWING);
                    return newVote;
                }
            }
        }
        return null;
    }

    private void sendNotifications() {
        // 发送投票信息给其他节点
    }

    private Notification recvNotification() {
        // 接收其他节点的投票信息
        return null;
    }

    private Vote getVote(Map<Long, Vote> votes) {
        // 根据接收到的投票信息计算新的投票
        return null;
    }

    private boolean haveEnoughVotes(Map<Long, Vote> votes, Vote vote) {
        // 检查是否有足够的选票选出Leader
        return false;
    }

    static class Messenger {
        // 负责发送和接收消息
    }

    static class Notification {
        long sid; // 发送者ID
        long leader; // 候选Leader ID
        long zxid; // 事务ID
        long electionEpoch; // 选举轮次
        long peerEpoch; // 节点的轮次
    }

    static class Vote {
        long id;
        long zxid;
        long electionEpoch;
        long peerEpoch;

        Vote(long id, long zxid, long electionEpoch, long peerEpoch) {
            this.id = id;
            this.zxid = zxid;
            this.electionEpoch = electionEpoch;
            this.peerEpoch = peerEpoch;
        }

        @Override
        public boolean equals(Object obj) {
            if (this == obj) return true;
            if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
            Vote vote = (Vote) obj;
            return id == vote.id && zxid == vote.zxid && electionEpoch == vote.electionEpoch && peerEpoch == vote.peerEpoch;
        }

        @Override
        public int hashCode() {
            return Objects.hash(id, zxid, electionEpoch, peerEpoch);
        }
    }
}

详细解释

1. LOOKING阶段：在lookForLeader方法中，节点首先设置自己的初始投票，然后进入一个循环，在LOOKING状态下不断发送和接收投票信息。
2. 发送和接收投票信息：
   • sendNotifications方法负责将当前节点的投票信息发送给其他节点。
   • recvNotification方法负责接收其他节点的投票信息，并返回一个Notification对象。
3. 处理投票信息：
   • 将接收到的投票信息存储在votes映射中。
   • 根据当前的投票信息计算新的投票，并更新当前节点的投票。
   • getVote方法根据接收到的投票信息计算新的投票。
   • haveEnoughVotes方法检查是否有足够的选票选出Leader。
4. 选举结果：如果有足够的选票选出Leader，则更新节点的状态为LEADING或FOLLOWING，并返回选举结果。

总结

Zookeeper的Leader选举算法基于Fast Paxos，通过多轮投票选举出一个Leader。每个节点在LOOKING阶段发送和接收投票信息，根据投票信息计算新的投票，并检查是否有足够的选票选出Leader。上述代码展示了Leader选举的核心流程和主要方法。通过解析这些代码，可以更好地理解Zookeeper的Leader选举算法。