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zk集群运行过程中,服务器选举的源码剖析

在zk服务器集群启动过程中,经QuorumPeerMain中,不光会创建ZooKeeperServer对象,同时会生成QuorumPeer对象,代表了ZooKeeper集群中的一台机器。在整个机器运行期间,负责维护该机器的运行状态,同时会根据情况发起Leader选举。

作者:卡卡西sir来源:猿人课堂|2018-12-06 08:50

在zk服务器集群启动过程中,经QuorumPeerMain中,不光会创建ZooKeeperServer对象,同时会生成QuorumPeer对象,代表了ZooKeeper集群中的一台机器。在整个机器运行期间,负责维护该机器的运行状态,同时会根据情况发起Leader选举。下图是 《从PAXOS到ZOOKEEPER分布式一致性原理与实践》的服务器启动流程。

QuorumPeer是一个独立的线程,维护着zk机器的状态。

  1. @Overridepublic synchronized void start() { 
  2.     loadDataBase(); 
  3.     cnxnFactory.start();         
  4.     startLeaderElection();    super.start(); 

本次主要介绍的是选举相关的内容,至于其他操作可以看其他博客。之后的行文都是从startLeaderElection中衍生出来的。

基本概念:

SID:服务器ID,用来标示ZooKeeper集群中的机器,每台机器不能重复,和myid的值一直

ZXID:事务IDVote: 选票,具体的数据结构后面有

Quorum:过半机器数

选举轮次:logicalclock,zk服务器Leader选举的轮次

服务器类型:

在zk中,引入了Leader、Follwer和Observer三种角色。zk集群中的所有机器通过一个Leader选举过程来选定一台被称为Leader的机器,Leader服务器为客户端提供读和写服务。Follower和Observer都能够提供读服务,唯一的区别在于,Observer机器不参与Leader选举过程,也不参与写操作的过半写成功策略。因此,Observer存在的意义是:在不影响写性能的情况下提升集群的读性能。

服务器状态:

+ LOOKING:Leader选举阶段+ FOLLOWING:Follower服务器和Leader保持同步状态+ LEADING:Leader服务器作为主进程领导状态。+ OBSERVING:观察者状态,表明当前服务器是Observer,不参与投票

选举的目的就是选择出合适的Leader机器,由Leader机器决定事务性的Proposal处理过程,实现类两阶段提交协议(具体是ZAB协议)

QuorumPeer维护集群机器状态

QuorumPeer的职责就是不断地检测当前的zk机器的状态,执行对应的逻辑,简单来说,就是根据服务所处的不同状态执行不同的逻辑。删除了一部分逻辑后,代码如下:

  1. @Overridepublic void run() {     
  2. setName("QuorumPeer" + "[myid=" + getId() + "]" + 
  3.             cnxnFactory.getLocalAddress());      
  4. try {         
  5. while (running) {             
  6. switch (getPeerState()) {             
  7. case LOOKING:                
  8. LOG.info("LOOKING");                 
  9. try {                     
  10.     setBCVote(null);                           setCurrentVote(makeLEStrategy().lookForLeader()); 
  11.                 }  
  12. catch (Exception e) {                     
  13. LOG.warn("Unexpected exception", e);                   setPeerState(ServerState.LOOKING); 
  14.           }                 
  15.                 break;             
  16. case OBSERVING:                 
  17. try {                     
  18. LOG.info("OBSERVING");                    setObserver(makeObserver(logFactory));                    observer.observeLeader(); 
  19.                 } catch (Exception e) {                    LOG.warn("Unexpected exception",e );                         
  20.                 } finally {                     
  21. observer.shutdown();                     
  22. setObserver(null);                     
  23. setPeerState(ServerState.LOOKING); 
  24.                 }                 
  25. break;             
  26. case FOLLOWING:                 
  27. try {                     
  28. LOG.info("FOLLOWING");                    setFollower(makeFollower(logFactory));                    follower.followLeader(); 
  29.  } catch (Exception e) {                     
  30. LOG.warn("Unexpected exception",e); 
  31.                 } finally {                     
  32. follower.shutdown();                     
  33. setFollower(null);                     
  34. setPeerState(ServerState.LOOKING); 
  35.                 }                 
  36. break;             
  37. case LEADING:                 
  38. LOG.info("LEADING");                 
  39. try {                     
  40. setLeader(makeLeader(logFactory));                     
  41. leader.lead();                     
  42. setLeader(null); 
  43.                 } catch (Exception e) {                    LOG.warn("Unexpected exception",e); 
  44.                 } finally {                     
  45. if (leader != null) {                         
  46. leader.shutdown("Forcing shutdown");                        setLeader(null); 
  47.                     }                     
  48. setPeerState(ServerState.LOOKING); 
  49.                 }            
  50. break; 
  51.             } 
  52.         } 
  53.     } finally {         
  54. LOG.warn("QuorumPeer main thread exited"); 
  55.     } 

当机器处于LOOKING状态时,QuorumPeer会进行选举,但是具体的逻辑并不是由QuorumPeer来负责的,整体的投票过程独立出来了,从逻辑执行的角度看,整个过程设计到两个主要的环节:

  • 与其他的zk集群通信的过程
  • 实现具体的选举算法

而QuorumPeer中默认使用的选举算法是FastLeaderElection,之后的分析也是基于FastLeaderElection而言的。

选举过程中的整体架构

在集群启动的过程中,QuorumPeer会根据配置实现不同的选举策略this.electionAlg = createElectionAlgorithm(electionType);

  1. protected Election createElectionAlgorithm(int electionAlgorithm){ 
  2.     Election le=null;    switch (electionAlgorithm) {    case 3: 
  3.         QuorumCnxManager qcm = new QuorumCnxManager(this); 
  4.         QuorumCnxManager.Listener listener = qcm.listener;        if(listener != null){ 
  5.             listener.start(); 
  6.             le = new FastLeaderElection(this, qcm); 
  7.         } else { 
  8.             LOG.error("Null listener when initializing cnx manager"); 
  9.         }        break;    default:        assert false
  10.     }    return le; 

如果ClientCnxn是zk客户端中处理IO请求的管理器,QuorumCnxManager是zk集群间负责选举过程中网络IO的管理器,在每台服务器启动的时候,都会启动一个QuorumCnxManager,用来维持各台服务器之间的网络通信。

对于每一台zk机器,都需要建立一个TCP的端口监听,在QuorumCnxManager中交给Listener来处理,使用的是Socket的阻塞式IO(默认监听的端口是3888,是在config文件里面设置的)。在两两相互连接的过程中,为了避免两台机器之间重复地创建TCP连接,zk制定了连接的规则:只允许SID打的服务器主动和其他服务器建立连接。实现的方式也比较简单,在receiveConnection中,服务器会对比与自己建立连接的服务器的SID,判断是否接受请求,如果自己的SID更大,那么会断开连接,然后自己主动去和远程服务器建立连接。这段逻辑是由Listener来做的,且Listener独立线程,receivedConnection,建立连接后的示意图:

QuorumCnxManager是连接的管家,具体的TCP连接交给了Listener,但是对于选票的管理,内部还维护了一系列的队列:

  • recvQueue:消息接收队列,用来存放那些从其他服务器接收到的消息,单独的队列
  • 分组队列(quorumCnxManager中将zk集群中的每台机器按照SID单独分组形成队列集合):

queueSendMap:消息发送队列,用于保存待发送的消息。new ConcurrentHashMap

senderWorderMap:发送器集合。每个SendWorder消息发送器,都对应一台远程zk服务器,负责消息的发放。

lastMessageSent:最近发送过的消息,按照SID分组

基本的通信流程如下:

以上内容主要是建立各台zk服务器之间的连接通信过程,具体的选举策略zk抽象成了,主要分析的是FastLeaderElection方式(选举算法的核心部分):

  1. public interface Election {    public Vote lookForLeader() throws InterruptedException;    public void shutdown(); 

FastLeaderElection选举算法

上面说过QuorumPeer检测到当前服务器的状态是LOOKING的时候,就会进行新一轮的选举,通过setCurrentVote(makeLEStrategy().lookForLeader());也就是FastLeaderElection的lookForLeader来进行初始选择,实现的方式也很简单,主要的逻辑在FastLeaderElection.lookForLeader中实现:

基本流程先说明一下:

  • QuorumPeer会轮询检查当前服务器状态,如果发现State是LOOKING,调用Election的lookForLeader来开始新一轮的选举
  • FastLeaderElection会首先将logicallock++,表示新的一轮选举开始了
  • 构造初始的选票,Vote的内容就是选自己,然后通知zk集群中的其他机器
  • FastLeaderElection会一直轮询查状态,只要是LOOKING态,就会从recvqueue中获取其他服务器同步的选票信息,为了方便说明,记录为n
  • 根据n的票选信息状态,做相关的操作

LOOKING: 都处于无Leader态,比较一下选票的优劣,看是否更新自己的选票,如果更新了就同时通知给其他服务器

FOLLOWING、LEADING:说明集群中已经有Leader存在,更新一下自己的状态,结束本轮投票

OBSERVING:这票没什么卵用,直接舍弃(OBSERVER是不参与投票的)

根据上面的流程,可以大概说明一下FasterLeaderElection确定选票更优的策略:

  • 如果外部投票中被推举的Leader服务器选举轮次大于自身的轮次,那么就更新选票
  • 如果选举轮次一致,就对比两者的ZXID,ZAB协议中ZXID越大的留存的信息也越多,因此如果ZXID大于自己的,那么就更新选票
  • 如果ZXID也一致,对比两者的SID,SID大,则优先级高

总结:

以上就是zk的默认选票流程,按照ZAB协议的两种状态分析:

  • 初始化的时候,处于同一轮次进行投票直到投票选择出一个Leader
  • 崩溃恢复阶段:

Leader服务器挂了,那么经历的和初始化流程类似的过程,选择Leader

Follower服务器挂了,那么自己在执行选举的过程中,会收到其他服务器给的Leader选票信息,也可以确定Leader所属

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】


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