大家好，我是程序员xiao熊，本篇内容将分享如何使用 Zookeeper 来实现Leader的选举，涉及的内容主要包含Zookeeper数据模型、监听相关的知识点，更多内容可阅读以下文章。

此外，我们需要准备一个可以运行的ZooKeeper 服务，单机版的即可；接下来进入正题，本篇文章主要分为以下几个部分

Leader选举介绍
使用Zookeeper实现Leader选举的实现原理
Zookeeper实现Leader选举的执行逻辑以及具体实现步骤
测试验证

Leader选举介绍

相信小伙伴们都听过主从架构的概念，简单说就是在提供相同服务的众多节点中，有一个节点作为主节点对外提供服务，其他节点作为从节点进行数据同步，提供一些读操作缓解主节点压力，以及进行故障切换保障服务的正常运行；

本篇分享的Leader选举是主从架构中的其中一个环节——Leader选举；除了我们熟悉的主从架构中会使用Leader选举之外，还有一个场景就是定时任务；小伙伴们在实际开发中会发现始终只有一台服务器执行定时任务，面试中也会问如何实现只需要在一台服务器上执行定时任务的问题；Zookeeper实现的Leader选举的流程如下图所示：

使用Zookeeper实现Leader选举的实现原理

Leader选举的实现原理是通过在Zookeeper中创建有序号的数据节点表示参与Leader选举、删除有序列号的数据节点表示退出leader选举的功能或者表示故障，以及通过Zookeeper的监听功能来实现Leader的切换。相关的关键问题如下：

如何使用Zookeeper存储参与Leader选举的服务信息
如何使用Zookeeper表示服务参与Leader选举
如何使用Zookeeper判断某个服务已经成为Leader节点，什么时候进行判断
如何使用Zookeeper表示退出Leader节点选举，或者不需要成为Leader节点
服务出现故障之后，Leader选举如何处理

针对这些问题，在zookeeper中，我们可以使用如下的解决方案（主要涉及zookeeper的数据模型、监听的知识点），解决方案的序号对应问题的序号：

在Zookeeper中创建一个”/leader”节点，并在该节点下创建子节点来表示参与Leader选举的服务信息
通过在节点”/leader”下创建一个子节点来表示该服务需要参与Leader的选举，创建的子节点必须是临时、有序列号的节点
通过获取节点”/ leader”下的所有子节点，判断序列号最小的节点是否等于当前进程对应的节点，如果相等，则表示创建该节点的服务成为了Leader，该服务可以继续执行后续的业务逻辑；通常在服务启动，以及Leader出现故障，并收到通知之后进行判断；
删除Zookeeper中，当前服务的进程创建的节点即可表示不参与Leader选举，或者不再担任Leader角色
服务出现故障之后，利用创建的子节点是临时的特性，Zookeeper可以自动删除该服务对应的子节点，表示该服务不参与Leader选举，或者不再担任Leader角色

Zookeeper实现Leader选举的执行逻辑以及具体实现步骤

在了解了Leader选举的流程以及原理之后，接下来看看Leader选举的具体执行逻辑和实现步骤，具体的执行逻辑如下图：

接下来是具体的实现步骤：

在执行流程和实现步骤的基础上来看代码实现：

一、初始化Leader选举对象

（1）创建zookeeper客户端对象：

ZooKeeper zk = new ZooKeeper(address, timeouts, watcher)；

参数说明：

address：表示Zookeeper的连接地址
timeouts：表示超时时间
watcher：表示监听器，指定为this，同时队列类需要实现Watcher接口

（2）创建Leader选举节点，存储选举信息：

zk.create(root, data, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT)

参数说明：

root：表示Leader选举节点，例如“/leader”
data：表示节点的数据，可以不传值，例如：new byte[0]
ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE：表示ACL类型
CreateMode.PERSISTENT：表示是永久性的节点

（3）创建同步对象：

Integer mutex = new Integer(-1)

（3）监听队列节点：

参考（1）步骤的watcher参数，在本例中，使用this对象，表示使用当前对象作为监听器，因此需要初始化zookeeper客户端的类实现Watcher接口，并实现如下方法：

public void process(WatchedEvent event){}

完整代码如下：

public class ZookeeperLeader implements Watcher{
static ZooKeeper zk = null;
    static Integer mutex;
    String root;
   public ZookeeperLeader(String address, String root, int size) {
        try {
            // 1. 创建zookeeper客户端对象
            if(zk == null){

                System.out.println("Starting ZK:");
                zk = new ZooKeeper(address, 3000, this);
                System.out.println("Finished starting ZK: " + zk);
            }

            // 2. 创建Leader选举节点
            this.root = root;
            if (zk != null) {
                Stat s = zk.exists(root, false);
                if (s == null) {
                    zk.create(root, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
                }
            }

            // 3. 设置同步对象
            mutex = new Integer(-1);

        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e.toString());
            zk = null;
        } catch (KeeperException e) {
            System.out.println("Keeper exception when instantiating queue: " + e.toString());
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("Interrupted exception");
        }
    }

   // 4. 监听Leader选举节点
synchronized public void process(WatchedEvent event) {
        // todo
    }
}

二、创建start(ILeaderElectionListener listener)方法，参与Leader选举

（1）在Leader选举节点”/leader”下创建子节点

zk.create(root +"/guid-leader-", data.getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);

参数说明：

root + "/guid-leader-" ：参与Leader选举的服务对应的节点路径，其中root表示Leader选举节点，”/ guid-leader-”是参与Leader选举的服务对应的子节点的前缀，再利用CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL参数的序列号即可生成完整的节点；
guid：表示UUID，
ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE：表示ACL类型
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL：表示是临时的并且是有序列号的节点类型，因为在参与Leader选举的过程中，参与Leader选举的服务出现故障，则应该不再参与Leader选举，避免出现选举故障的服务作为Leader的情况，利用Zookeeper临时节点的特性，在该服务出现故障之后，Zookeeper能够自动删除对应的子节点，表示不再参与Leader选举；

（2）判断服务是否已经成为了Leader，并通过ILeaderElectionListener通知应用程序

获取分布式锁节点下的所有子节点
获取最小的序列号
如果当前服务创建的子节点的序列号等于最小序列号，则表示当前服务成为了Leader，通过Listener通知业务端，并完成选举；
如果当前服务创建的子节点的序列号不等于最小序列号，则在序列号比当前服务创建的子节点的序列号小的所有子节点中，再获取这些子节点中序列号最大的子节点（最大不超过当前节点的序列号），如果这类节点不存在，则返回步骤1，进行下一轮的判断
如果序列号比当前服务创建的子节点的序列号小，但是序列号最大的子节点存在，则则调用exists()方法再次判断是否存在，如果存在，则监听该节点，然后等待创建该节点的服务放弃成为Leader或者不再参与Leader选举
如果exists()方法判断结果不存在，则回到步骤1，进行下一轮的判断当前服务是否成为Leader

完整代码如下：

public void start(ILeaderElectionListener listener) throws InterruptedException, KeeperException {
        //1. 创建子节点
        String guid = UUID.randomUUID().toString();
        String curLeaderNodePathPrefix = guid + "-leader-";
        curLeaderNodePath = zk.create(leaderNodePath + "/" + curLeaderNodePathPrefix, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "创建的节点：" + curLeaderNodePath);
        Integer curLeaderPathSequence = getNodeSequence(curLeaderNodePath);

        while(true) {

            // 2. 获取子节点
            List<String> leaders = zk.getChildren(leaderNodePath, false);
            Integer minSequence = null;
            if (CollectionUtils.isNotEmpty(leaders)) {
                minSequence = leaders.stream().map(this::getNodeSequence).min(Comparator.comparing(Function.identity())).get();
            }

            // 3. 判断是否拥有锁,如果当前线程创建的节点的序列号是最小序列号，则表示当前线程拥有锁
            if (curLeaderPathSequence == minSequence) {
                listener.notice(true);
                return;
            }

            if (CollectionUtils.isEmpty(leaders)) {
                continue;
            }
            // 4. 判断是否需要等待其他线程释放锁
            String preLeaderPath = leaders.stream().filter(leader-> getNodeSequence(leaderNodePath) < curLeaderPathSequence).max(Comparator.comparingInt(this::getNodeSequence)).get();
            Stat leaderStat = zk.exists(leaderNodePath + "/" + preLeaderPath, true);
            if (null != leaderStat) {
                listener.notice(false);
                synchronized (mutex) {
                    mutex.wait();
                }
            }
        }
    }

ILeaderElectionListener接口代码如下：

public interface ILeaderElectionListener {
    void notice(Boolean isCurNodeLeader);
}

三、创建close()方法，放弃参与Leader选举/放弃Leader角色

（1）删除Leader选举节点下服务对应的子节点：

zk.delete(lockPath, 0)

完整代码如下：

public void close() throws InterruptedException, KeeperException {
    System.out.println("放弃参与Leader选举：" +  curLeaderNodePath);
    zk.delete(curLeaderNodePath, 0);
}

四、处理Leader选举节点的监听事件

在监听事件处理方法中，直接唤醒下一个需要成为Leader的服务，然后让处于等待状态的服务可以继续判断是否已经成为Leader，代码如下

// 监听Leader选举节点
synchronized public void process(WatchedEvent event) {
    // 接收到监听事件，则本次监听失效，需要通过后续的exists方法设置下一轮的监听
synchronized (mutex) {
        mutex.notify();
    }
}

测试验证

public class App {
public static void main( String[] args ) {
        try {
            ZookeeperLeader leader = new ZookeeperLeader("localhost:2181", "/leader");
            leader.start(isCurNodeLeader -> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"是否是leader：" + isCurNodeLeader));
            Thread.sleep(100000000);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("启动异常");
        }
    }
}

总结

本示例中的Leader选举是一个简单的示例，还有很多优化的空间，开发小伙伴们可以尝试着去优化；

以上就是为大家分享的内容，欢迎大家在评论区里面留言，后续也会分享Zookeeper实践相关的文章以及其他技术的文章;

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