zookeeper为分布式应用提供了高效且可靠的分布式协调服务，提供了如统一命名服务、配置管理和分布式锁等分布式的基础服务。在分布式数据的一致性方面，zk并没有直接采用paxos算法，而是采用zab的一致性协议。
一、初识zk
1、概述
ZooKeeper是一个开源的分布式协调服务。ZooKeeper框架最初是在“Yahoo!"上构建的，用于以简单而稳健的方式访问他们的应用程序。后来，ApacheZooKeeper成为Hadoop，HBase和其他分布式框架使用的有组织服务的标准。例如，ApacheHBase使用ZooKeeper跟踪分布式数据的状态。ZooKeeper的设计目标是将那些复杂且容易出错的分布式一致性服务封装起来，构成一个高效可靠的原语集，并以一系列简单易用的接口提供给用户使用。
原语：操作系统或计算机网络用语范畴。是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。具有不可分割性·即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。
zk是一个典型的分布式数据一致性的解决方案。分布式应用可以基于它实现数据的发布订阅、负载均衡、命名服务、分布式协调和通知、集群管理、分布式锁等。zk可以保证分布式的一致性特性。
Zookeeper一个最常用的使用场景就是用于担任服务生产者和服务消费者的注册中心。
zookeeper作为dubbo注册中心
2、特点
顺序一致性：从同一客户端发起的事务请求，最终将会严格地按照顺序被应用到ZooKeeper中去。原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。单一视图（无论客户端连接的哪一个zk服务器，其看到的服务端数据模型是一样的）可靠性：一旦一次更改请求被应用，更改的结果就会被持久化，直到被下一次更改覆盖。实时性（一定时间内保证可以读取到最新值）
3、zk设计目标
zk致力于提供一个高性能、高可用、且具有严格的顺序访问控制能力（主要是写操作的严格顺序性）的分布式协调服务。
（1）目标一：简单的数据模型
zk使得分布式程序能够通过一个共享的、树形结构的命名空间进行相互协调。（这里的树形结构，指zk服务器内存中的一个数据模型，由一些列被称为ZNode的数据节点组成）。zk将全量数据存储在内存中，以此来提高服务器吞吐、减少延时的目的。
zk存储结构
（2）可以构建集群
一个zk服务器集群通常由一组机器组成，一般3-5台机器就可以组成一个可用的zk集群了。组成zk集群的每台机器都会在内存中维护当前的服务器状态，并且每台机器都互相保持着通信。只要集群中存在超过一般的机器能够正常工作，那么整个集群就能正常保持服务。
zk架构图
上图中每一个Server代表一个安装Zookeeper服务的服务器。组成ZooKeeper服务的服务器都会在内存中维护当前的服务器状态，并且每台服务器之间都互相保持着通信。集群间通过Zab协议（ZookeeperAtomicBroadcast）来保持数据的一致性。
（3）顺序访问
来自客户端的每一个版本请求，zk都会分配一个全局唯一的递增编号，这个编号表示了所有事物操作的先后顺序
（4）高性能
zk将全量数据存储在内存中，并直接服务于客户端的所有非事物请求，适用于读操作为主的应用场景。根据有关资料显示压测可达到12-13W的qps。
4、zk基本概念
（1）集群模式：zk引入leader、follower和observer三个角色。通过选举产生leader机器，leader服务器为客户端提供读和写服务；follower和observer都能提供读服务，但是observer不参与选举。（2）会话session：在zk中，一个客户端连接是指客户端和服务端的一个TCP长连接。对外默认端口是，客户端启动的时候，首先会和服务端建立一个TCP连接，从第一次建立开始，客户端会话的生命周期也就开始了，通过这个连接，客户端能够通过心跳检测与服务端保持有效的会话，也能够向zk服务器发送请求并接受响应，同时还能够通过该连接接收来自服务器的watch事件通知；session的sessionTimeout用来设置一个客户端会话的超时时间，由于为止原因，导致客户端连接断开，只要sessionTimeout规定的时间内能够重新连上集群中任意一台服务器，那么之前创建的会话仍然有效。（3）数据节点ZNode:zk中数据节点指数据模型中的数据单元ZNode。数据模型是一颗树，保存在内存中，由\进行分割的路径，就是一个ZNode；在每一个ZNode上都会保存自己的数据内容，同时会保存一些列的属性信息。
1、持久性节点：指一旦这个ZNode被创建，除非主动进行ZNode移除操作，否则这个ZNode将一直保存在zk中2、临时节点：生命周期和客户端会话绑定，一旦客户端会话失效，这个客户端创建的所有临时节点都会被移除。
（4）版本：对应于每一个ZNode，zk会为其维护一个叫做stat的数据结构，stat中记录了这个ZNode的三个数据版本，分别是version（当前ZNode版本）、cversion（当前ZNode子节点版本）和aversion（当前ZNode的ACL版本）（5）Watcher：watche（事件监听器）是zk一个重要的特性，zk允许用户在指定的节点上注册一些东watcher，并且在一些特定的事件触发的时候，zk服务端会将事件通知感兴趣的客户端上去，该机制是zk实现分布式协调的重要特性。（6）ACL：zk采用ACL来进行权限控制，zk定义了五种权限（create创建子节点、read获取节点数据和子节点列表、write更新节点数据、delete删除子节点、admin设置节点ACL）
5、小结
（1）ZooKeeper是一个开源的分布式协调服务，提供了分布式数据一致性的解决方案。（2）ZooKeeper本身就是一个分布式程序（只要半数以上节点存活，ZooKeeper就能正常服务），构建zk集群时候节点个数必须大于1且是奇数。（3）ZooKeeper将数据保存在内存中，这也就保证了高吞吐量和低延迟（但是内存限制了能够存储的容量不太大，此限制也是保持znode中存储的数据量较小的进一步原因）。（4）ZooKeeper是高性能的。在“读”多于“写”的应用程序中尤其地高性能，因为“写”会导致所有的服务器间同步状态。（“读”多于“写”是协调服务的典型场景。）（5）ZooKeeper有临时节点的概念。（6）ZooKeeper底层其实只提供了两个功能：①管理（存储、读取）用户程序提交的数据；②为用户程序提交数据节点监听服务。
二、ZAB协议
1、ZAB协议与paxos协议关系
Paxos算法应该可以说是ZooKeeper的灵魂了。但是，ZooKeeper并没有完全采用Paxos算法，而是使用ZAB协议作为其保证数据一致性的核心算法。另外，在ZooKeeper的官方文档中也指出，ZAB协议并不像Paxos算法那样，是一种通用的分布式一致性算法，它是一种特别为Zookeeper设计的崩溃可恢复的原子消息广播算法。
ZAB（ZooKeeperAtomicBroadcast原子广播）协议是为分布式协调服务ZooKeeper专门设计的一种支持崩溃恢复的原子广播协议。在ZooKeeper中，主要依赖ZAB协议来实现分布式数据一致性，基于该协议，ZooKeeper实现了一种主备模式的系统架构来保持集群中各个副本之间的数据一致性。
ZAB协议的开发设计人员在协议设计之初并没有要求其具有很好的扩展性，最初只是雅虎公司内部哪些高吞吐、低延迟、健壮、简单的分布式系统场景设计的，因此ZAB协议并不想paxos协议那样，是一种通用的分布式一致性算法，是一种特别为zk设计的奔溃可恢复的原子消息广播算法。
2、ZAB协议的核心
zk的核心是定义了那些请求会改变zk服务器数据状态的事物请求的处理方式。（其实核心就是原子广播）
所有事物的请求必须由一个全局的唯一的服务器来协调处理，这样的服务器称为leader服务器，余下的服务器称为follow服务器。leader服务器负责将一个客户端请求转换为一个（事物）proposal提议，并将该提议分发到集群中所有的follow服务器。之后leader服务器等待follow服务器的反馈，一旦超过半数的follow服务器进行了正确的反馈后，leader服务器将再次向所有的follow服务器分发
1、服务器1启动，此时只有它一台服务器启动了，它发出去的报没有任何响应，所以它的选举状态一直是LOOKING状态
2、服务器2启动，它与最开始启动的服务器1进行通信，互相交换自己的选举结果，由于两者都没有历史数据，所以id值较大的服务器2胜出，但是由于没有达到超过半数以上的服务器都同意选举它(这个例子中的半数以上是3)，所以服务器1、2还是继续保持LOOKING状态 3、服务器3启动，根据前面的理论分析，服务器3成为服务器1,2,3中的老大，而与上面不同的是，此时有三台服务器(超过半数)选举了它，所以它成为了这次选举的leader
4、服务器4启动，根据前面的分析，理论上服务器4应该是服务器1,2,3,4中最大的，但是由于前面已经有半数以上的服务器选举了服务器3，所以它只能接收当小弟的命了
5、服务器5启动，同4一样，当小弟
（2）奔溃恢复时候的选举。
随机让一个服务器从新开始选举，并配合version、serverid和逻辑时钟等概念。
5、zid概念
znode节点的状态信息中包含zxid，ZooKeeper状态的每一次改变,都对应着一个递增的Transactionid,该id称为zxid.由于zxid的递增性质,如果zxid1小于zxid2,那么zxid1肯定先于zxid2发生.创建任意节点,或者更新任意节点的数据,或者删除任意节点,都会导致Zookeeper状态发生改变,从而导致zxid的值增加.
6、zk状态同步流程
zk状态同步流程图
选完Leader以后，zk就进入状态同步过程。
1.Leader等待server连接；2.Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；3.Leader根据follower的zxid确定同步点；4.完成同步后通知follower已经成为uptodate状态；5.Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。
7、zk中leader工作机制
zk中leader的工作流程
1.恢复数据；2.维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；3.Learner的消息类型主要有PING消息（Learner的心跳信息）、REQUEST消息（Follower发送的提议信息，包括写请求及同步请求）、ACK消息（Follower的对提议的回复，超过半数的Follower通过，则