Zookeeper之两阶段提交源码分析

zookeeper集群为了保证数据一致性，使用了两阶段提交。
在zookeeper集群的角色有：leader、follower、observer。
在这几个角色中处理读写请求是不同的：
读请求：从当前节点直接读取数据
写请求：在leader直接进行两阶段提交、在非leader则是把请求转交给leader处理
所以，分析两阶段提交就是分析集群模式下的请求处理。在单机模式在请求处理是经过RequestProcessor请求处理链处理。
单个zookeeprt请求处理主要有以下几步：
1、对当前请求生成日志txn
2、持久化日志txn
3、根据日志txn更新Database
两阶段提交（2PC）步骤：


image.png

lead节点请求处理链构建

image.png

其中标绿色的PrepRequestProcessor、SyncRequestProcessor、CommitProcessor都继承了ZooKeeperCriticalThread是一个线程。
org.apache.zookeeper.server.quorum.LeaderZooKeeperServer#setupRequestProcessors


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org.apache.zookeeper.server.quorum.ProposalRequestProcessor#ProposalRequestProcessor


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ProposalRequestProcessor中包含SyncRequestProcessor和AckRequestProcessor
LeaderRequestProcessor----->PrepRequestProcessor---->ProposalRequestProcessor(SyncRequestProcessor--->AckRequestProcessor)----->CommitProcessor--->Leader.ToBeAppliedRequestProcessor---->FinalRequestProcessor

1、LeaderRequestProcessor

org.apache.zookeeper.server.quorum.LeaderRequestProcessor#processRequest


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①、检查是不是local session本地session，创建临时节点会升级session
org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumZooKeeperServer#checkUpgradeSession


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②、交给下一个请求处理器处理


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2、PrepRequestProcessor

作用与单机模式相同，给请求Request的Hdr和Txn赋值，然后交给下一个请求处理器处理

3、ProposalRequestProcessor（2PC提交协议）

如果是写请求(request.getHdr() != null)，则会把当前请求封装为协议并发送给follower。发送之后交给SyncRequestProcessor持久化处理


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org.apache.zookeeper.server.quorum.Leader#propose


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org.apache.zookeeper.server.quorum.Leader#sendPacket
发送到所有其他Followe节点forwardingFollowers


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org.apache.zookeeper.server.quorum.LearnerHandler#queuePacket
添加到LearnerHandler的queuedPackets队列中
image.png

org.apache.zookeeper.server.quorum.LearnerHandler#sendPackets
image.png
3.1、SyncRequestProcessor（2PC持久化）

把请求放入到queuedRequests阻塞队列


image.png

①、对请求进行持久化与单机相同
org.apache.zookeeper.server.SyncRequestProcessor#run


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②、交给下一个AckRequestProcessor处理
3.2、AckRequestProcessor（两阶段提交leader端处理）

向lead发送自己的ack（2PC发送ACK）


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org.apache.zookeeper.server.quorum.Leader#processAck


image.png

image.png

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org.apache.zookeeper.server.quorum.Leader#tryToCommit


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org.apache.zookeeper.server.quorum.Leader#commit
创建一个Leader.COMMIT数据包并发送所有Follower节点
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org.apache.zookeeper.server.quorum.Leader#inform
创建一个INFORM通知包发送给所有观察者Observer节点
image.png

org.apache.zookeeper.server.quorum.CommitProcessor#commit
提交当前请求，放入到committedRequests，最终会更新database


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4、CommitProcessor

CommitProcessor类参数：
queuedRequests：表示接收到的请求，没有进行两阶段的提交
queuedWriteRequests：表示接收到的写请求，没有进行两阶段的提交
committedRequests：表示可以提交的请求，在两阶段验证过半之后进行会在本地进行committe操作，便添加到这个队列
commitIsWaiting：表示存在可以提交的请求（committedRequests是否有值，有true）
pendingRequests：是一个map集合，表示每个客户端sessionId的请求
Leader类参数：
outstandingProposals：表示记录提议的请求的队列，符合过半机制之后会移除
toBeApplied：表示记录待生效的请求，在FinalRequestProcessor移除
①、processRequest
org.apache.zookeeper.server.quorum.CommitProcessor#processRequest


image.png

首先判断是否需要两阶段提交。如果需要则会添加到queuedWriteRequests队列
org.apache.zookeeper.server.quorum.CommitProcessor#needCommit
如果是更改操作则返回true


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②、CommitProcessor#run
CommitProcessor是一个线程最主要的是运行run方法
org.apache.zookeeper.server.quorum.CommitProcessor#run
a、commitIsWaiting和requestsToProcess获取
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首先获取commitIsWaiting是否有待提交的(committedRequests有值返回true)，requestsToProcess待处理的请求大小
b、wait()等待
如果queuedRequests和committedRequests没有数据则会wait();等待
image.png

c、pendingRequests
image.png

这里表示：如果需要提交，则会直接放入到pendingRequests集合中。如果是个读操作，则会查看当前请求的sessionId是否存在pendingRequests集合，如果存在继续添加到pendingRequests集合。如果都不符合，说明是一个客户端的读请求，直接交给下一个sendToNextProcessor(request);处理
image.png

d、然后，再看一下这个while的退出条件。
①、从queuedRequests取出的是空
②、如果queuedRequests数据不为空，那么requestsToProcess是大于0的。这时只有maxReadBatchSize < 0或readsProcessed <= maxReadBatchSize才能退出。
maxReadBatchSize < 0表示默认是-1，如果配置了这个参数当连续读了readsProcessed时，也会退出。
③、pendingRequests和committedRequests不为空
e、commitIsWaiting有待提交的


image.png

从committedRequests取出请求，while循环处理写请求
image.png

从pendingRequests集合获取此客户端sessionId的等待集合sessionQueue(可能会有读写)
一个pendingRequests可能会存这样的数据，一个客户端发送这样一系列命令： sessionQueue ={读、读、写、写}
image.png

把第一个请求重新赋值给topPending
image.png

把当前请求放入到queuesToDrain，把此时请求从committedRequests移除，把提交的数量commitsProcessed加1，把commitsToProcess=maxCommitBatchSize提交处理写的减1，这里为了退出while循环while (commitIsWaiting && !stopped && commitsToProcess > 0) 。最后调用processWrite方法处理这个写请求交给下个处理器处理
image.png

f、queuesToDrain
这里是与commitsToProcess结合，commitIsWaiting表示还有待提交的，在处理commitsToProcess个写请求之后退出了，在queuesToDrain中再优先处理一部分读
image.png

5、ToBeAppliedRequestProcessor

org.apache.zookeeper.server.quorum.Leader.ToBeAppliedRequestProcessor#processRequest
删除toBeApplied


image.png

follower节点请求处理链构建

image.png

其中标绿色的FollowerRequestProcessor、CommitProcessor、SyncRequestProcessor都继承了ZooKeeperCriticalThread是一个线程。
org.apache.zookeeper.server.quorum.FollowerZooKeeperServer#setupRequestProcessors


image.png

开了两条链：
FollowerRequestProcessor(firstProcessor)---->CommitProcessor----->FinalRequestProcessor
SyncRequestProcessor---->SendAckRequestProcessor

1、FollowerRequestProcessor

org.apache.zookeeper.server.quorum.FollowerRequestProcessor#processRequest
请求添加到queuedRequests队列


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image.png

FollowerRequestProcessor是一个线程，会从queuedRequests获取请求
org.apache.zookeeper.server.quorum.FollowerRequestProcessor#run


image.png

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org.apache.zookeeper.server.quorum.Learner#request
创建请求转发给lead节点处理
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createSession和closeSession也会转发给lead节点处理


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2、SendAckRequestProcessor

org.apache.zookeeper.server.quorum.SendAckRequestProcessor#processRequest
在用SendAckRequestProcessor处理之前会先调用SyncRequestProcessor进行持久化处理，由于与单机或lead处理相同就不单独列出来了。
向领导者发送确认ack包


image.png

org.apache.zookeeper.server.quorum.Learner#writePacket


image.png

org.apache.zookeeper.server.quorum.Learner#writePacketNow
image.png
LearnerHandler转发请求

在经过FollowerRequestProcessor处理后，lead端会得到一个Request的请求
org.apache.zookeeper.server.quorum.LearnerHandler#run


image.png

org.apache.zookeeper.server.quorum.Leader#submitLearnerRequest


image.png

org.apache.zookeeper.server.quorum.LeaderZooKeeperServer#submitLearnerRequest
转发到leader的prepRequestProcessor
image.png

在连接Follower节点的客户端发送更改命令请求会转发到leader节点的prepRequestProcessor进行处理

两阶段提交Follower端处理

1、run
org.apache.zookeeper.server.quorum.QuorumPeer#run


image.png

2、followLeader
org.apache.zookeeper.server.quorum.Follower#followLeader
不断读取从lead端的数据包


image.png

①、Follower接收到PROPOSAL协议命令请求
org.apache.zookeeper.server.quorum.Follower#processPacket
image.png

image.png

org.apache.zookeeper.server.quorum.FollowerZooKeeperServer#logRequest


image.png

调用到SyncRequestProcessor处理器处理、SyncRequestProcessor处理完之后便交给SendAckRequestProcessor处理器处理发送ACK数据包
②、Follower接收到commit命令请求
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org.apache.zookeeper.server.quorum.FollowerZooKeeperServer#commit
image.png

调用到commitProcessor处理器处理把请求添加到committedRequests队列，处理完之后会交给FinalRequestProcessor处理器处理，这样在连接Follower客户端的更改操作也会有数据返回

observer节点请求处理链构建

image.png

其中标绿色的ObserverRequestProcessor、CommitProcessor、SyncRequestProcessor都继承了ZooKeeperCriticalThread是一个线程。
org.apache.zookeeper.server.quorum.ObserverZooKeeperServer#setupRequestProcessors


image.png

也是开了两条链：
ObserverRequestProcessor(firstProcessor)---->CommitProcessor----->FinalRequestProcessor
SyncRequestProcessor---->null
observer节点不参与两阶段提交，所以同步SyncRequestProcessor之后没有ACK确认提交。这样既提高了读效率，又对写效率没有影响。请求处理链与leader、follower的功能相同不再累述。

总结：

zookeeper集群的两阶段提交，是在写操作的情况下发生的。2PC的整体实现逻辑是在RequestProcessor请求处理链处理的。只有在接受到的ACK超过一半才会进行提交，提交的实现逻辑是在CommitProcessor中实现的，CommitProcessor处理器中里面涉及多种集合、队列等参数(需要首先了解这些参数意义，然后再读CommitProcessor源码)。

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