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Leader選舉是保證分佈式數據一致性的關鍵所在。Leader選舉分爲Zookeeper集羣初始化啓動時選舉和Zookeeper集羣運行期間Leader重新選舉兩種情況。在講解Leader選舉前先了解一下Zookeeper節點4種可能狀態和事務ID概念。
0x01、Zookeeper節點狀態
LOOKING：尋找Leader狀態，處於該狀態需要進入選舉流程
LEADING：領導者狀態，處於該狀態的節點說明是角色已經是Leader
FOLLOWING：跟隨者狀態，表示Leader已經選舉出來，當前節點角色是follower
OBSERVER：觀察者狀態，表明當前節點角色是observer
0x02、事務ID
ZooKeeper狀態的每次變化都接收一個ZXID（ZooKeeper事務id）形式的標記。ZXID是一個64位的數字，由Leader統一分配，全局唯一，不斷遞增。
ZXID展示了所有的ZooKeeper的變更順序。每次變更會有一個唯一的zxid，如果zxid1小於zxid2說明zxid1在zxid2之前發生。
0x03：支持的領導選舉算法
zookeeper領導的選舉算法可以通過electionAlg配置項進行設置。到3.4.10版本爲止，可選項有
基於UDP的LeaderElection
基於UDP的FastLeaderElection
基於UDP和認證的FastLeaderElection
基於TCP的FastLeaderElection
在3.4.10版本中，默認值爲3（即基於TCP的FastLeaderElection）。另外三種算法已經被棄用，並且有計劃在之後的版本中將它們徹底刪除而不再支持。FastLeaderElection選舉算法是標準的Fast Paxos算法實現，可解決LeaderElection選舉算法收斂速度慢的問題。
0x04、選票數據結構
每個服務器在進行領導選舉時，會發送如下關鍵信息
logicClock 每個服務器會維護一個自增的整數，名爲logicClock，它表示這是該服務器發起的第多少輪投票
state 當前服務器的狀態
self_id 當前服務器的myid
self_zxid 當前服務器上所保存的數據的最大zxid
vote_id 被推舉的服務器的myid
vote_zxid 被推舉的服務器上所保存的數據的最大zxid
0x05、Zookeeper集羣初始化啓動時Leader選舉
若進行Leader選舉，則至少需要兩臺機器，這裏選取3臺機器組成的服務器集羣爲例。
初始化啓動期間Leader選舉流程如下圖所示。
在集羣初始化階段，當有一臺服務器ZK1啓動時，其單獨無法進行和完成Leader選舉，當第二臺服務器ZK2啓動時，此時兩臺機器可以相互通信，每臺機器都試圖找到Leader，於是進入Leader選舉過程。選舉過程開始，過程如下：
(1) 每個Server發出一個投票。由於是初始情況，ZK1和ZK2都會將自己作爲Leader服務器來進行投票，每次投票會包含所推舉的服務器的myid和ZXID，使用(myid, ZXID)來表示，此時ZK1的投票爲(1, 0)，ZK2的投票爲(2, 0)，然後各自將這個投票發給集羣中其他機器。
(2) 接受來自各個服務器的投票。集羣的每個服務器收到投票後，首先判斷該投票的有效性，如檢查是否是本輪投票、是否來自LOOKING狀態的服務器。
(3) 處理投票。針對每一個投票，服務器都需要將別人的投票和自己的投票進行比較，規則如下
優先檢查ZXID。ZXID比較大的服務器優先作爲Leader。
如果ZXID相同，那麼就比較myid。myid較大的服務器作爲Leader服務器。
對於ZK1而言，它的投票是(1, 0)，接收ZK2的投票爲(2, 0)，首先會比較兩者的ZXID，均爲0，再比較myid，此時ZK2的myid最大，於是ZK2勝。ZK1更新自己的投票爲(2, 0)，並將投票重新發送給ZK2。
(4) 統計投票。每次投票後，服務器都會統計投票信息，判斷是否已經有過半機器接受到相同的投票信息，對於ZK1、ZK2而言，都統計出集羣中已經有兩臺機器接受了(2, 0)的投票信息，此時便認爲已經選出ZK2作爲Leader。
(5) 改變服務器狀態。一旦確定了Leader，每個服務器就會更新自己的狀態，如果是Follower，那麼就變更爲FOLLOWING，如果是Leader，就變更爲LEADING。當新的Zookeeper節點ZK3啓動時，發現已經有Leader了，不再選舉，直接將直接的狀態從LOOKING改爲FOLLOWING。
0x06、Zookeeper集羣運行期間Leader重新選
在Zookeeper運行期間，如果Leader節點掛了，那麼整個Zookeeper集羣將暫停對外服務，進入新一輪Leader選舉。
假設正在運行的有ZK1、ZK2、ZK3三臺服務器，當前Leader是ZK2，若某一時刻Leader掛了，此時便開始Leader選舉。選舉過程如下圖所示。
(1) 變更狀態。Leader掛後，餘下的非Observer服務器都會講自己的服務器狀態變更爲LOOKING，然後開始進入Leader選舉過程。
(2) 每個Server會發出一個投票。在運行期間，每個服務器上的ZXID可能不同，此時假定ZK1的ZXID爲124，ZK3的ZXID爲123；在第一輪投票中，ZK1和ZK3都會投自己，產生投票(1, 124)，(3, 123)，然後各自將投票發送給集羣中所有機器。
(3) 接收來自各個服務器的投票。與啓動時過程相同。
(4) 處理投票。與啓動時過程相同，由於ZK1事務ID大，ZK1將會成爲Leader。
(5) 統計投票。與啓動時過程相同。
(6) 改變服務器的狀態。與啓動時過程相同。
參考：http://www.jasongj.com/zookeeper/fastleaderelection/
https://blog.csdn.net/chengyuqiang/article/details/79190061
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