ZooKeeper系统之（四）：跟随者工作模式

当ZooKeeper集群启动之后，需要完成leader和follower之间的数据同步。

首先leader和observer有一个共同的父类learner，里面定义了一些公共方法。集群正常运行后会有一个leader和多个follower（这里observer就不单独说了，和follower的行为是类似的）。

1、注册过程

follower在提供服务给客户端之前必须完成注册到leader的动作。

ZooKeeper系统之（四）：跟随者工作模式-LMLPHP

注册分为以下3个主要步骤：

a) 调用connectToLeader方法连接到Leader。

b) 调用registerWithLeader方法注册到Leader，交换各自的sid、zxid和Epoch等信息，Leader以此决定事务同步的方式。

c) 调用SyncWithLeader跟Leader进行事务数据同步，处理SNAP/DIFF/TRUNC包。

这3个方法都定义在父类Learner类中。下面我们以Follower作为例子说明注册到Leader的完整流程。

2、connectToLeader

connectToLeader方法功能较简单，创建Socket连接到Leader。该方法定义在Follower的父类Learner中。它加了重试机制，具体的代码这里就不给出了。

最多可以尝试5次连接。连接成功后Leader会创建一个LearnerHandler专门处理与该Follower之间的QuorunPacket消息的传递。

3、registerWithLeader

Follower连接Leader成功之后，马上调用registerWithLeader方法。

registerWithLeader方法首先发送FOLLOWERINFO包给Leader，告诉Leader自己的身份属性（Follower的zxid，sid）。然后等待Leader回复的LEADINFO包，获取Leader的Epoch和zxid值，并更新Follower的Epoch和zxid值，以Leader信息为准。

最后给Leader发ACKEPOCH包，告诉Leader这次Follower已经与Leader的zxid同步了。

这里acceptedEpoch就是Leader的Epoch。

整个resigerWithLeader流程如下图所示：

ZooKeeper系统之（四）：跟随者工作模式-LMLPHP

接下来Follower就要进入syncWithLeader方法来与Leader同步数据了。

4、SyncWithLeader

SyncWithLeader方法同步Leader的事务到Follower，该方法较长，这里分段介绍其整个过程。

首先读取同步数据包，主要代码如下：

QuorumPacket qp = new QuorumPacket();
readPacket(qp);
if (qp.getType() == Leader.SNAP){
  zk.getZKDatabase().deserializeSnapshot(leaderIs);
}else if (qp.getType() == Leader. TRUNC) {
  boolean truncated=zk.getZKDatabase().truncateLog(qp.getZxid());
if (!truncated) {
      // not able to truncate the log
      LOG.error("Not able to truncate the log " + Long.toHexString(qp.getZxid()));
      System.exit(13);
   }
}else if (qp.getType() == Leader.DIFF) {
   LOG.info("Getting a diff from the leader 0x{}", ong.toHexString(qp.getZxid()));
   snapshotNeeded = false;
}

同步方式分成3种：

SNAP：快照模式，这种模式下Leader将整个完整数据库传给Follower。
TRUNC：截断模式，这种模式表明Follower的数据比Leader还多，为了维持一致性需要将Follower多余的数据删除。
DIFF：差异模式，说明Follower比Leader的事务少，需要给Follower补足，这时候Leader会将需要补充的事务生成PROPOSAL包和COMMIT包发给Follower执行。

当前面都执行完成后，还有一段代码处理后续消息（这里是QuorumPacket类型），比如：PROPOSAL、COMMIT、NEWLEADER等。例如PROPOSAL是指同步期间收到的leader发送的写请求信息，缓存在packetsNotCommitted里，等后续处理，这这部分代码可以先不管。

这部分的主要代码是这样的：

while (self.isRunning()) {
     readPacket(qp);
     switch(qp.getType()) {
        case Leader.PROPOSAL:
             packetsNotCommitted.add(pif);
             break;
        case Leader.COMMIT:
        case Leader.COMMITANDACTIVATE:
             pif = packetsNotCommitted.peekFirst();
             if (!writeToTxnLog) {
                 zk.processTxn(pif.hdr, pif.rec);
                 packetsNotCommitted.remove();
             } else {
                 packetsCommitted.add(qp.getZxid());
             }
             break;
        case Leader.INFORM:
        case Leader.INFORMANDACTIVATE:
             if (!writeToTxnLog) {
               // Apply to db directly if we haven't taken the snapshot
                 zk.processTxn(packet.hdr, packet.rec);
             } else {
                 packetsNotCommitted.add(packet);
                 packetsCommitted.add(qp.getZxid());
             }
             break;
         case Leader.UPTODATE:
             if (isPreZAB1_0) {
                 zk.takeSnapshot();
                 self.setCurrentEpoch(newEpoch);
              }
              self.setZooKeeperServer(zk);
              self.adminServer.setZooKeeperServer(zk);
              break outerLoop;
        case Leader.NEWLEADER:
             if (snapshotNeeded) {
                zk.takeSnapshot();
              }
              self.setCurrentEpoch(newEpoch);
              writeToTxnLog = true;
              isPreZAB1_0 = false;
              writePacket(new QuorumPacket(Leader.ACK, newLeaderZxid, null, null), true);
              break;
     }
}

然后Leader会发送NEWLEADER包，Follower收到NEWLEADER包后回复ACK给Leader。

最后Leader发UPTODATE包表示同步完成，Follower这时启动服务端并跳出本次循环，准备结束整个注册过程。

5、 Follower主流程

Follower是Learner的子类，Follower的启动方法就是followLeader。

followLeader的主要代码片段如下：

connectToLeader(addr);
long newEpochZxid = registerWithLeader(Leader.FOLLOWERINFO);
syncWithLeader(newEpochZxid);
QuorumPacket qp = new QuorumPacket();
while (this.isRunning()) {
      readPacket(qp);
      processPacket(qp);
}

启动时首先与Leader同步数据，然后启动FollowerZooKeeperServer，在FollowerZooKeeperServer运行的同时，额外启动while循环等待Peer的QuorumPacket包，调用processPacket方法处理这些包。

processPacket处理QuorumPeer传送的QuorumPacket，最主要是处理两种QuorumPacket：PROPOSAL和COMMIT。当然还有PING、COMMITANDACTIVATE等包类型，为便于简化梳理代码设计思路，这里就不再详述了。

该方法在收到Leader发送过来的QuorumPacket时被调用，主要是响应PROPOSAL和COMMIT两种类型的消息。

PROPOSAL是Leader将要执行的写事务命令；COMMIT是提交命令。Follower只有在收到COMMIT消息后才会让PROPOSAL命令的内容生效。

同一个写事务命令会在Leader和多个Follower上都执行一次，保证集群数据的一致性。

代码片段：

case Leader.PROPOSAL:
      TxnHeader hdr = new TxnHeader();
      Record txn = SerializeUtils.deserializeTxn(qp.getData(), hdr);
      lastQueued = hdr.getZxid();
      fzk.logRequest(hdr, txn);
      break;
case Leader.COMMIT:
      fzk.commit(qp.getZxid());
      break;

Follower收到PROPOSAL消息后调用FollowerZooKeeperServer的logRequest方法；收到COMMIT消息后调用FollowerZooKeeperServer的commit方法。

PROPOSAL包

Leader发送给集群中所有follower的写请求包。

Leader执行写操作时需要告之集群中的Learner，让大家也执行写操作，保证集群数据的一致性。PROPOSAL是严格按照顺序执行的，这也是ZOOKEEPER的核心设计思想之一。

COMMIT包

当Leader认为一个Proposal已被大多数Follower持久化并等待执行后会发送COMMIT包，通知各Follower可以提交执行该Proposal了，最后调用到FinalRequestProcessor执行写操作，通过这种机制保证写操作能被大半数集群机器执行。

6、 Observer主流程

Observer和Follower功能类似，主要的差别就是不参与选举。

Observer的入口方法是observerLeader。当QuorumPeer的状态是OBSERVING时会启动Observer并调用observerLeader方法。

observerLeader同Follower的followLeader方法类似，首先注册到Leader，事务同步后进入QuorumPacket包循环处理过程，调用processPacket方法处理QuorumPacket。

processPacket比Follower要简单许多，最主要是处理INFORM包来执行Leader的写请求命令。

这里处理的是INFORM消息，Leader群发写事务时，给Follower发的是PROPOSAL并要等待Follower确认；而给Observer发的则是INFORM消息并且不需要Obverver回复ACK消息来确认。

守望者之父

ZooKeeper系统之（四）：跟随者工作模式