今天我們深入剖析 Zookeeper Atomic Broadcast（ZAB）協(xié)議，特別聚焦于 “如何實(shí)現(xiàn)操作的順序性” 這個(gè)核心問題。ZAB 協(xié)議是 Zookeeper 保證分布式數(shù)據(jù)一致性的重要基礎(chǔ)，它解決了 Paxos 在操作順序性上的天然不足，使得 Zookeeper 能夠在分布式場(chǎng)景中穩(wěn)定地提供一致性和高可用性。

本文將從以下四個(gè)方面展開：

1. 為什么 Multi-Paxos 無法保證操作的順序性？
2. ZAB 協(xié)議如何保證操作的順序性？
3. 核心流程與源碼解析
4. 關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)與 Java 源碼示例

一、為什么 Multi-Paxos 無法保證操作的順序性？

1.1 Multi-Paxos 簡(jiǎn)述

Multi-Paxos 是 Paxos 算法的擴(kuò)展，解決了單輪 Paxos 只能處理一個(gè)提案的問題。它通過選舉一個(gè)主節(jié)點(diǎn)（Leader），由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起多輪 Paxos 協(xié)議，確保所有副本達(dá)成一致性。

1.2 順序性問題

雖然 Multi-Paxos 能夠確保每個(gè)提案（Proposal）達(dá)成一致，但它并不關(guān)心提案之間的順序。比如：

• 請(qǐng)求 A 和請(qǐng)求 B 可能被不同節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)間接受。
• Multi-Paxos 無法強(qiáng)制所有節(jié)點(diǎn)按照統(tǒng)一的順序處理 A 和 B。

1.3 ZAB 協(xié)議的引入

為了在分布式系統(tǒng)中提供嚴(yán)格的操作順序性，Zookeeper 設(shè)計(jì)了 ZAB 協(xié)議，它在 Paxos 的基礎(chǔ)上增加了 事務(wù) ID（zxid） 和 廣播日志（Broadcast Log），確保所有操作按照統(tǒng)一的順序被處理。

二、ZAB 協(xié)議如何保證操作的順序性？

2.1 核心概念

1. 事務(wù) ID（zxid）

• 每個(gè)事務(wù)都有一個(gè)唯一的 zxid（Zookeeper Transaction ID）。
• zxid 是一個(gè)64位的數(shù)字：前32位是 epoch（領(lǐng)導(dǎo)周期），后32位是 自增計(jì)數(shù)器。
• zxid 的有序性確保了所有節(jié)點(diǎn)按照相同的順序處理事務(wù)。

2. 廣播日志（Broadcast Log）

• Leader 將所有的寫請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為 Proposal（提議），并以廣播的方式發(fā)送給所有的 Follower。
• 每個(gè) Follower 接收到 Proposal 后，都會(huì)按照 zxid 的順序 進(jìn)行記錄和提交。

3. 兩階段提交

ZAB 協(xié)議在 Leader 和 Follower 之間采用了兩階段提交機(jī)制：

• 階段1：數(shù)據(jù)廣播（Proposal Broadcasting）
• 階段2：確認(rèn)提交（Commit Confirmation）

只有當(dāng)過半節(jié)點(diǎn)確認(rèn) Proposal 后，Leader 才會(huì)提交該事務(wù)。

2.2 操作順序性的實(shí)現(xiàn)

1. Leader 分配有序 zxid

每次 Leader 處理一個(gè)客戶端的寫請(qǐng)求時(shí)，它都會(huì)分配一個(gè)全局有序的 zxid。

2. Proposal 廣播

Leader 將事務(wù)轉(zhuǎn)化為 Proposal，并按 zxid 順序向所有 Follower 廣播。

3. Follower 日志追加

Follower 接收到 Proposal 后，先將其追加到本地日志中，但暫不提交。

4. Leader 收到過半確認(rèn)

Leader 收到過半 Follower 的 ACK 后，向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送 COMMIT 命令。

5. Follower 提交

Follower 接收到 COMMIT 命令后，按照 zxid 的順序提交事務(wù)。

三、核心流程與源碼解析

接下來我們將通過 Java 源碼示例，剖析 ZAB 協(xié)議如何實(shí)現(xiàn)操作順序性。

3.1 Leader 生成 zxid

Leader 在處理請(qǐng)求時(shí)生成全局唯一的 zxid。

public class Leader {
    private long epoch = 0; // 當(dāng)前領(lǐng)導(dǎo)紀(jì)元
    private long counter = 0; // zxid 計(jì)數(shù)器

    // 生成唯一的 zxid
    public synchronized long generateZxid() {
        counter++;
        return (epoch << 32) | counter;
    }
}

說明：

• epoch：領(lǐng)導(dǎo)周期，當(dāng)新的 Leader 被選出時(shí)增加。
• counter：自增計(jì)數(shù)器，每次寫請(qǐng)求遞增。

3.2 Proposal 廣播

Leader 將事務(wù)轉(zhuǎn)化為 Proposal 并廣播給 Follower。

public class Leader {
    public void proposeTransaction(String data) {
        long zxid = generateZxid();
        Proposal proposal = new Proposal(zxid, data);
        
        // 廣播 Proposal
        for (Follower follower : followers) {
            follower.receiveProposal(proposal);
        }
    }
}

public class Proposal {
    private long zxid;
    private String data;

    public Proposal(long zxid, String data) {
        this.zxid = zxid;
        this.data = data;
    }
}

說明：

• Leader 將請(qǐng)求封裝成 Proposal 并攜帶 zxid。
• Proposal 廣播給所有 Follower。

3.3 Follower 追加日志

Follower 接收到 Proposal 后，將其追加到本地日志。

public class Follower {
    private List<Proposal> log = new ArrayList<>();

    public void receiveProposal(Proposal proposal) {
        log.add(proposal); // 追加到本地日志
        sendAck(proposal.getZxid());
    }

    public void sendAck(long zxid) {
        System.out.println("ACK for zxid: " + zxid);
    }
}

說明：

• Follower 將 Proposal 追加到本地日志中。
• 發(fā)送 ACK 回 Leader。

3.4 Leader 提交 Proposal

Leader 收到過半 Follower 的 ACK 后，發(fā)送 COMMIT 指令。

public class Leader {
    public void commitProposal(long zxid) {
        for (Follower follower : followers) {
            follower.commit(zxid);
        }
    }
}

Follower 提交事務(wù)：

public class Follower {
    public void commit(long zxid) {
        System.out.println("Committed transaction with zxid: " + zxid);
    }
}

說明：

• Leader 等待大多數(shù) Follower 發(fā)送 ACK。
• Leader 發(fā)送 COMMIT 指令。
• Follower 提交事務(wù)。

四、關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)與總結(jié)

4.1 操作順序性核心保障

1. 唯一有序 zxid：確保每個(gè)事務(wù)有唯一的順序標(biāo)識(shí)。
2. 日志追加：Follower 嚴(yán)格按照 zxid 追加日志。
3. 兩階段提交：只有過半節(jié)點(diǎn)確認(rèn)后，事務(wù)才會(huì)被提交。

4.2 對(duì)比 Multi-Paxos

• Multi-Paxos：共識(shí)，但不保證順序性。
• ZAB：通過 zxid 和廣播日志，嚴(yán)格保證操作順序。

五、總結(jié)

ZAB 協(xié)議通過 全局有序的 zxid 和 兩階段提交 機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了分布式系統(tǒng)中事務(wù)的全局有序性。這種設(shè)計(jì)確保了 Zookeeper 能夠在復(fù)雜的分布式環(huán)境中，提供一致性和高可用性。