谈ZAB协议在zookeeper中的作用

ZAB 协议是 ZooKeeper 的灵魂，是其实现强一致性和高可用性的基石。
一、ZAB 协议是什么？
ZAB 的全称是 ZooKeeper Atomic Broadcast，即 ZooKeeper 原子消息广播协议。
它是一种专为 ZooKeeper 设计的支持崩溃恢复的原子广播协议。它的核心目标是在一个分布式系统中，保证所有节点数据的最终一致性。

二、ZAB 协议的核心作用
ZAB 协议的作用主要体现在以下两个模式的紧密协作上：

作用一：选主与恢复 —— 构建可靠基础
当集群启动，或者 Leader 节点宕机时，ZAB 协议会进入恢复模式。

1. Leader 选举：
问题：集群群龙无首，无法处理写请求。
ZAB 的作用：通过一个快速的选举算法，从众多 Follower 中选举出一个新的 Leader。选举的标准是寻找数据最全
（拥有最大 ZXID - 事务ID）的节点。这确保了新 Leader 拥有最完整的数据。

2. 数据同步：
问题：选举出的 Leader 需要确保所有 Follower 与它的数据状态保持一致。
ZAB 的作用：Leader 会与所有 Follower 进行数据同步，将自身的最新数据同步给那些数据滞后的 Follower。
这个过程完成后，整个集群就达到了一个一致的状态。

此阶段的目标是： 快速产生一个唯一且数据最全的领导者，并让整个集群的数据恢复到一致的状态，为后续提供正常服务打下基础。
作用二：消息广播 —— 处理日常请求
当集群完成了 Leader 选举和数据同步后，ZAB 协议就会从恢复模式切换到广播模式，开始处理客户端的写请求。

工作流程（两阶段提交的简化版）：
请求提案：Leader 接收到客户端的写请求后，将其转换为一个提案，并为这个提案分配一个全局单调递增的 ZXID，然后将提案广播给所有的 Follower。
确认提案：每个 Follower 接收到提案后，会将其持久化到本地磁盘的事务日志中，然后向 Leader 发送一个 ACK 确认。
提交提案：Leader 等待，直到收到超过半数的 Follower 的 ACK。
通知提交：Leader 此时会提交这个提案（更新自身内存数据），并广播一个 COMMIT 消息给所有的 Follower。
应用变更：Follower 接收到 COMMIT 消息后，才更新自身的内存数据。
此阶段的目标是： 保证所有写请求按照相同的顺序在集群的所有节点上被原子地应用。要么所有节点都应用这个变更，要么都不应用。

三、ZAB 如何保证 ZooKeeper 的特性？
现在，我们来看 ZAB 协议是如何支撑起 ZooKeeper 的那些重要特性的：

顺序一致性：
ZAB 协议通过全局递增的 ZXID 为每一个写请求排序。Leader 严格按照 ZXID 的顺序广播提案，
从而保证了所有节点看到的事务顺序是完全一致的。这是实现分布式锁等高级功能的基础。

原子性：
ZAB 的“原子广播”确保了数据更新的原子性。一个事务要么在所有节点上成功（收到多数派 ACK 后提交），
要么在所有节点上失败（无法达成多数派共识）。不存在中间状态。
单一系统映像：
无论客户端连接到哪个节点，看到的数据视图都是一致的。这得益于 ZAB 协议保证了所有节点的数据最终一致。
即使客户端连接到一个数据稍旧的 Follower，该 Follower 也会在 ZAB 协议的数据同步机制下迅速追赶上 Leader 的进度。
高可用性与可靠性：
ZAB 的恢复模式使得 ZooKeeper 在 Leader 宕机后，能够在极短时间内选举出新 Leader 并恢复服务，
实现了自动故障转移。只要集群中超过半数的节点存活，服务就可用。

实时性：
一旦一个写操作被提交，客户端最终就能读到最新的值。因为 Follower 在提交事务后，本地内存数据立即更新，后续的读请求就能立刻看到。

四、ZAB 与 Paxos 的关系
ZAB 协议经常被拿来与经典的 Paxos 算法进行比较。它们都是分布式一致性算法，但 ZAB 不被认为是 Paxos 的一个变种，而是为其特定场景（ZooKeeper）设计的。
一个核心区别是：ZAB 明确规定了唯一的 Leader，并且所有写操作都必须通过这个 Leader，从而简化了流程，
并强保证了操作的全局顺序。而标准的 Paxos 在实现时，每个提案都可以有独立的提议者，顺序保证会更复杂。

总结
ZAB 协议在 ZooKeeper 中扮演着 “总指挥” 和 “数据同步官” 的角色：
作为 “总指挥”，它通过广播模式，指挥所有节点按照统一的顺序执行写操作。
作为 “数据同步官”，它通过恢复模式，在领导更迭时，迅速恢复集群的秩序和数据一致性。
正是由于 ZAB 协议的存在，ZooKeeper 才能成为一个高性能、高可用且强一致的分布式协调服务，成为大数据和分布式系统中不可或缺的基石。