前言

前面一篇文章我们已经给大家讲解了ZooKeeper的核心的原理，这一篇我们重点分析ZooKeeper的Leader选举算法。Leader的选举是ZooKeeper的最重要技术之一，也是保证分布式系统数据一致的关键。

Leader选举流程概述

我们本篇文章的目的就是详细的剖析Leader选举的过程，但是Leader选举的过程较为复杂，我们直接上来就讲其详细的过程，大家容易蒙圈，所以我们这一小段就简单描述一下Leader选举的大概流程。

如上图所以，假设我们目前有一个3个节点构成的ZooKeeper集群，myid的编号分别是0,1,2，又因为集群当前是一个空的集群，所以每个节点的ZXID初始都为0，该集群启动的时候Leader的选举流程如下：

（1）我们首先启动myid为0的服务，但是目前只有一台ZooKeeper服务，所以是无法完成Leader选举的，ZooKeeper集群要求Leader进行投票选举条件是至少有2台服务才行，不然都没法进行通信投票。

（2）启动myid为1的服务，第二台启动了以后，这两台ZooKeeper就可以相互通信了，接下来就可以进行投票选举了。

（3）2台ZooKeeper进行投票选举的时候，第一次都是推荐自己为Leader，投票包含的信息是：服务器本身的myid和ZXID。比如第一台投自己的话，它会发送给第二台机器的投票是(0,0)，第一个0代表的是机器的myid，第二个0代表是的ZXID。故两台机器收到的投票情况如下：

第一台：(1,0)

第二台：(0,0)

（4）两台服务器在接收到投票后，将别人的票和自己的投票进行PK。PK的是规则是：

（a）优先对比ZXID，ZXID大的优先作为Leader（ZXID大的表示数据多）

（b）如果ZXID一样的话，那么就比较myid，让myid大的作为Leader服务器。

那根据这个规则的话，第一台服务器，接受到的投票是(1,0)，跟自己的投票（0,0）比，ZXID是一样的，但是myid比接收到的投票的小，所以第一台原先是推荐自己投票为(0,0),现在进行了PK以后，投票修改为(1,0)。第二台服务器，接受到的投票是(0,0),跟自己的投票(1,0)比，ZXID是一样的，但是myid是比接受到的投票的大，所以坚持自己的投票(1,0)。两台服务器再次进行投票。

（5）每次投票以后，服务器都会统计所有的投票，只要过半的机器投了相同的机器，那么Leader就选举成功了，上面的两台服务器进行第二次投票之后，两台服务器都会收到相同的投票(1,0)。那么此时myid为1的服务器就是Leader了。

如上的Leader选举其实在集群启动的过程中只需要几毫秒就完成了，所以如果有搭建ZooKeeper集群经验的同学会发现，我们如果按顺序启动服务的话，启动到第二台机器的时候，Leader就已经选出来了，所以大家会看到一般第二台就是Leader。第三台启动的时候就作为Follower。

上面我们描述的是集群在初始化过程中Leader的选举流程，如果集群在运行的过程中Follower节点宕机了，对Leader节点是不影响的，如果集群在运行的过程中Leader节点宕机了，就会进行重新选举，重新选举的流程跟上述一致。

Leader选举的详细流程

如上图是ZooKeeper选举的核心算法逻辑图，接下来我们详细的看一下其选举流程。

投票轮次递增

用于标识当前投票的轮次，ZooKeeper规定了同一轮次的投票才是有效的。所以如果要进行新一轮的投票，需要对投票轮次进行递增。

初始化选票

在投票之前每台服务器都会初始化自己的选票，选票里面最重要的两个值一个是本机的myid的值，一个是本机的ZXID的值。

发送初始化选票

完成选票的初始化以后，服务器就会发起第一次投票，第一次投票都是推荐自己为Leader，也就是都投自己。

判断服务状态

ZooKeeper的服务有四个状态：LOOKING, FOLLOWING, LEADING, OBSERVING

LOOKING：寻找Leader的状态。

FOLLOWING：跟随者状态。

LEADING：领导者状态。

OBSERVING：观察者状态。

如果当前服务的状态是LOOKING，那么说明还没选举出来Leader，继续下面的步骤，正常情况下一开始都是LOOKING的状态。

接受外部选票

每台服务器会不断的从某个队列里面获取外部的选票。如果发现服务器无法获取外部的任何选票，那么就会立即确认自己是否和集群中的其他服务器保持着有效连接。如果发现没有建立连接，那么立马建立连接。如果已经建立连接了，那么再次发送自己的投票。

判断选举轮次

发送完初始化选票以后，接下来就要处理外部的选票了，处理选票的时候会根据不同轮次的选票进行不同的处理。

• 外部投票的选举轮次大于自己的轮次

如果发现自己的投票轮次小于外部的轮次，那么立即更新自己的轮次，然后清空已经接收到的选票。然后使用初始化的选票来PK刚刚的外部投票以确定是否变更自己的投票（PK的规则跟概述里描述一致）。

• 外部投票的选举轮次小于自己的轮次

如果接收到的选票的选举轮次落后与服务器本身的轮次，那么直接忽略该外部选票，不做任何处理。

• 外部投票的选举轮次等于自己的轮次

大多数属于这个情况，如果外部的选票的轮次跟自己的选票轮次一致的话，就进行选票PK。

选票PK

（a）优先对比ZXID，ZXID大的优先作为Leader。

（b）如果ZXID一样的话，那么就比较选票里的myid，myid大的选为Leader。

变更选票

通过选票PK以后，如果确定了别的服务的选票优于自己的选票，那么就进行选票变更，把自己的选票信息变更为更适合作为Leader的服务器的选票信息。然后再把这些选票发送出去。不过无论是否发生了选票变更，当前的服务都会将刚刚接收到的选票进行归档并按照服务器的myid来区分,如：{(0,vote1),(1,vote2),…}

统计投票

完成了选票归档之后，就可以统计选票了，说白了就是看是否有过半的服务器认为某台服务器适合做Leader，如果确定了则终止投票。否者返回步骤(4)。

更新服务状态

统计投票后，如果已经确定出来Leader就终止投票，接下来就变更服务的状态，首先看一下自己是不是Leader，如果自己是Leader那么就更新自己的状态为Leader，如果不是Leader，那么就根据配置文件，要么切换为Follower，要么切换为Observer。

以上10个步骤就是ZooKeeper选举的核心算法，其中4-9会经过几轮循环直到Leader产生。

最后

ZooKeeper是我们学习架构的过程中必不可少的一个技术，今天主要跟大家讲解了ZooKeeper的Leader选举算法，后面会陆续剖析ZooKeeper的ZAB协议算法，数据快照机制，数据清理机制，会话机制，长连接机制等。欢迎大家持续关注。

作者：孙玄，奈学教育CEO，『架构之美』公众号作者，前58同城技术委员会主席。