一、ZooKeeper半数机制

上文中我们说ZooKeeper集群一般采用奇数台服务器，这是为什么呢，答案就是文章开头那一句，ZooKeeper集群在一半以上服务器数量可用时集群可用，举个栗子，当服务器数量是三台时，最多允许一台服务器挂掉，当服务器数量是四台时，也最多允许一台服务器挂掉，也就是说，三台服务器和四台服务器的容灾情况是一样的，为了节省成本，我们一般使用奇数。

二、ZooKeeper的选举机制

我们知道ZooKeeper中只包含一个Leader节点，但是这个Leader节点是怎么产生的呢，答案是大家一起选举出来的，ZooKeeper的选举机制是ZooKeeper中一个比较重要的内容。在讲ZooKeeper选举机制之前，要先讲清楚几个概念。
myid：被推举的Leader的编号。
zxid：被推举的Leader事务ID，全局有序，也就是说zxid越大的服务器上信息越新。
electionEpoch：逻辑时钟，用来判断多个投票是否在同一轮选举周期中，该值在服务端是一个自增序列，每次进入新一轮的投票后，都会对该值进行加1操作。
peerEpoch：被推举的Leader的epoch。
state：当前服务器的状态。有如下值:
LOOKING：寻找Leader状态。当服务器处于该状态时，它会认为当前集群中没有Leader，因此需要进入Leader选举状态。
FOLLOWING：跟随者状态。表明当前服务器角色是Follower。
LEADING：领导者状态。表明当前服务器角色是Leader。
OBSERVING：观察者状态。表明当前服务器角色是Observer。

ZooKeeper的选举机制就是选举出集群的Leader，但是什么时候需要在集群中选取一个Leader呢，应该是有两种情况
1、集群刚刚启动，还没有Leader
2、集群Leader挂掉了，需要重新选举Leader
这两种情况十分类似，但是还是有一点区别，这里分开描述。
（1）、集群启动时选举
下面以三台服务器为例，myid分别为:1、2、3

1. Server1启动，并选举自己为Leader，但是因为集群中其他机器未启动，所以在等待状态
2. Server2启动，并选举自己为Leader，此时集群中已有两台机器，可以互相通信，于是将自己的投票信息以（myid，zxid）的形式发送给其他机器。
3. 接收投票。每台服务接收到一个投票信息后，会确定这个投票信息的有效性，如判断这次投票是不是来自本轮，投票信息是不是来自LOOKING状态的服务器。
4. 处理投票，也就是将自己的投票信息与接收到的投票信息进行PK，PK的规则如下:
   首先检查zxid，zxid大的胜出
   zxid相等的情况下检查myid，myid大的胜出
   对于本文中的例子，Server1发出的投票信息是（1，0）,Server2发出的投票信息是（2，0），在Server1中的PK，zxid相等，但是Server2的myid较大，所以在Server1中，将投票信息改为（2，0），Server2中不作改变。本轮投票结束。
5. 统计投票，每次投票结束后，服务器都会统计本轮投票的票数，如果有一台机器的得票数大于半数，则选举为Leader，否则进行下一轮投票，一直到有一台机器得票数大于半数。本文中的例子中，经过第一轮投票，Server2已经有了两票，大于半数，选举为Leader
6. 状态更改，当集群中有一台机器被选举为Leader之后，选举结束，同时每台服务器更改自己的状态，Follower的机器改为FOLLOWING，Leader的机器改为LEADING。

（2）、集群重新选举

1. 当服务器的Leader挂掉之后，所有的非OBSERVING状态的服务器将自己的状态改为LOOKING。
2. 当状态变更完毕之后开始投票选举，值得一提的是，因为在运行过程中在运行期间每台服务器的zxid可能不同。
   其余过程和上面完全一样。

三、监听器原理

1、首先创建Main线程
2、然后创建一个ZooKeeper客户端，此时会创建两个线程，一个connect负责通信，一个Listener负责监听
3、connect线程将监听事件发送给注册的监听器，注册的监听器将注册的监听事件写入列表
4、当节点发生变化之后通过Listener线程通知Client
5、Client线程通过调用Process方法执行后续操作

四、ZAB协议

ZAB协议的全称是ZooKeeper Atomic Broadcast（ZooKeeper原子广播）。ZooKeeper是通过ZAB协议来保证分布式事务的最终一致性。
当我们创建一个ZooKeeper客户端的时候会随机连接到一个可用的ZooKeeper节点，如果是读请求，就直接从当前节点读取数据，如果是写请求，那么节点就会向Leader节点提交事务，Leader节点收到事务提交会广播该事务，当集群中半数以上的节点写入成功，该事务就会被提交。
由上我们可用发现，ZAB协议需要满足两个条件:
1、ZAB协议需要确保那些已经在Leader提交的事务最终被所有服务器提交。
2、ZAB协议需要确保丢弃那些只在Leader上被提出而没有被提交的事务。

ZAB协议原理

ZAB协议要求每个Leader都要经历三个阶段:

• 发现：要求ZooKeeper集群必须选举出一个Leader进程，同时Leader会维护一个Follower可用客户端列表。将来客户端可以和这些Follower节点进行通信。
• 同步：Leader要负责将本身的数据与Follower完成同步，做到多副本存储。这样也是体现了CAP中的高可用和分区容错。Follower将队列中未处理的请求消费完成后，写入本地事务日志中。
• 广播：leader可以接受客户端新的事务Proposal请求，将新的Proposal请求广播给所有的Follower。

ZAB协议内容

ZAB协议包括两种模式:崩溃恢复和消息广播
奔溃恢复就是选举新的Leader的过程，具体流程上面已经介绍了，当集群选举了新的Leader。同时集群中有半数的机器与该Leader服务器完成了状态同步之后，ZAB协议就会推出恢复模式，进入消息广播模式。在消息广播模式中，当Leader崩溃或者集群重启之后，又会重新进入崩溃恢复模式。

消息广播

上面已经详细介绍了Leader选举的过程，下面讲一下消息广播模式。
在整个消息广播中，Leader会将每一个事务请求转换成对应的proposal来进行广播，并且在广播事务Proposal之前，Leader服务器会首先为这个事务Proposal分配一个全局单递增的唯一ID，也就是事务ID（zxid），由于ZAB协议需要保证每一个消息的严格顺序关系，因此必须将每一个Proposal按照其zxid的先后顺序进行排序和处理。
ZAB协议中Leader等待Follower的ACK反馈消息是指“半数以上的Follower成功反馈即可，不需要收到全部Follower反馈”。具体流程如下：

1. 客户端发起写请求
2. Leader服务器将客户端的请求转化为Proposal，同时为其分配一个全局的ID，即zxid。
3. Leader服务器为每个Folloer服务器分配一个单独的队列，然后将需要广播的Proposal依次放到队列中取，并且根据FIFO策略进行发送。
4. Follower接收到Proposal后，会首先将其以事务日志的方式写入本地磁盘，写入成功后向Leader反馈一个ACK响应消息。
5. Leader接受半数以上的Follower的ACK响应消息后，即可认为消息发送成功，可以发送commit消息。
6. Leader向所有Follower广播commit消息，同时自身也会完成事务提交。Follower接收到commit消息后，会将上一条事务提交。
   这里有人可能会有一个问题，既然Leader在半数Follower发送响应消息的时候就发送commit消息，那另外的服务器不会造成数据不一致吗。
   这里我们需要想到这个，这里讲的是集群模式，也就是说整个集群对外提供服务，我们知道当集群中有半数以上的服务器正常的时候，ZooKeeper就可以对外提供服务，所有，这里当半数以上的Follower完成之后，就可以对外提供服务，这时，客户端会连接到已经同步完毕的Follower，其余的会继续同步。同步不是目的，对外提供服务才是目的，这是所有分布式框架的共同特点，当已经可以对外提供服务时，我们可以没必要等待全部节点同步完成。

ZAB数据同步

1、当完成Leader选举后（新的Leader具有最高的zxid，也就是最新的数据），在正式开始工作之前，Leader服务器会首先确认事务日志中所有的Proposal是否已经被集群中过半的服务器Commit。
2、Leader服务器需要确保所有的Follower服务器能够接收每一条事务的Proposal，并且能将所有已经提交的事务Proposal应用到内存数据中。等到Follower将所有尚未同步的事务Proposal都从Leader服务器上同步过来并且应用到内存数据中一后，Leader才会把该Follower加入到真正可用的Follower列表中。

数据同步过程中，处理需要丢弃的Proposal

在ZAB的事务编号zxid设计中，zxid是一个64位的数字。其中低32位可用看成一个简单的单增计数器，针对客户端的每一个事务请求，Leader才产生新的Proposal的同时，都会对该计数器加1，而高32位则代表了Leader周期的epoch编号。

epoch编号可用看成集群所处的年代或者周期。每次Leader变更之后都会在epoch的基础上加1，这样旧的Leader崩溃恢复之后，其他的Follower就不会听他的了，因为Follower只服从epoch最高的Leader的命令。

每当选举一个新的Leader，就会从这个Leader的服务器上取出本地事务日志最大编号Proposal的zxid，并从zxid中解析得到对应的epoch编号，然后对其加1，之后该编号作为新的epoch，并将低32位归零，由0开始重新生成zxid。
ZAB协议通过epoch编号来区分Leader变化周期，避免了不同的Leader错误的使用了相同的zxid编号提出了不一样的Proposal的情况。
当一个包含了上一个Leader周期中尚未提交过的事务Proposal的服务器启动时，这台服务器加入集群，Leader会根据自己服务器上最后提交的Proposal和它进行比对，结果肯定是不一致，Leader会要求它进行回退，回退到一个确实已经被集群中过半的机器Commit的最新的Proposal。