什么是Master選舉？ZooKeeper在集群Master選舉中應用

Master選舉是一個在分布式系統(tǒng)中非常常見的應用場景。分布式最核心的特性就是能夠將具有獨立計算能力的系統(tǒng)單元部署在不同的機器上，構成一個完整的分布式系統(tǒng)。而與此同時，實際場景中往往也需要在這些分布在不同機器上的獨立系統(tǒng)單元中選出一個所謂的“老大”，在計算機中，我們稱之為Master。

在分布式系統(tǒng)中，Master往往用來協(xié)調集群中其他系統(tǒng)單元，具有對分布式系統(tǒng)狀態(tài)變更的決定權。例如，在一些讀寫分離的應用場景中，客戶端的寫請求往往是由 Master來處理的；而在另一些場景中，Master則常常負責處理一些復雜的邏輯，并將處理結果同步給集群中其他系統(tǒng)單元。Master選舉可以說是ZooKeeper最典型的應用場景了，接下來，我們就結合“一種海量數(shù)據(jù)處理與共享模型”這個具體例子來看看 ZooKeeper在集群Master選舉中的應用場景。

在分布式環(huán)境中，經(jīng)常會碰到這樣的應用場景：集群中的所有系統(tǒng)單元需要對前端業(yè)務提供數(shù)據(jù)，比如一個商品 ID，或者是一個網(wǎng)站輪播廣告的廣告 ID（通常出現(xiàn)在一些廣告投放系統(tǒng)中）等，而這些商品ID或是廣告ID往往需要從一系列的海量數(shù)據(jù)處理中計算得到——這通常是一個非常耗費 I/O 和 CPU資源的過程。鑒于該計算過程的復雜性，如果讓集群中的所有機器都執(zhí)行這個計算邏輯的話，那么將耗費非常多的資源。一種比較好的方法就是只讓集群中的部分，甚至只讓其中的一臺機器去處理數(shù)據(jù)計算，一旦計算出數(shù)據(jù)結果，就可以共享給整個集群中的其他所有客戶端機器，這樣可以大大減少重復勞動，提升性能。 這里我們以一個簡單的廣告投放系統(tǒng)后臺場景為例來講解這個模型。

整個系統(tǒng)大體上可以分成客戶端集群、分布式緩存系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)處理總線和 ZooKeeper四個部分

首先我們來看整個系統(tǒng)的運行機制。圖中的Client集群每天定時會通過ZooKeeper來實現(xiàn)Master選舉。選舉產(chǎn)生Master客戶端之后，這個Master就會負責進行一系列的海量數(shù)據(jù)處理，最終計算得到一個數(shù)據(jù)結果，并將其放置在一個內(nèi)存/數(shù)據(jù)庫中。同時，Master還需要通知集群中其他所有的客戶端從這個內(nèi)存/數(shù)據(jù)庫中共享計算結果。

接下去，我們將重點來看 Master 選舉的過程，首先來明確下 Master 選舉的需求：在集群的所有機器中選舉出一臺機器作為Master。針對這個需求，通常情況下，我們可以選擇常見的關系型數(shù)據(jù)庫中的主鍵特性來實現(xiàn)：集群中的所有機器都向數(shù)據(jù)庫中插入一條相同主鍵 ID 的記錄，數(shù)據(jù)庫會幫助我們自動進行主鍵沖突檢查，也就是說，所有進行插入操作的客戶端機器中，只有一臺機器能夠成功——那么，我們就認為向數(shù)據(jù)庫中成功插入數(shù)據(jù)的客戶端機器成為Master。

借助數(shù)據(jù)庫的這種方案確實可行，依靠關系型數(shù)據(jù)庫的主鍵特性能夠很好地保證在集群中選舉出唯一的一個Master。但是我們需要考慮的另一個問題是，如果當前選舉出的Master掛了，那么該如何處理？誰來告訴我Master掛了呢？顯然，關系型數(shù)據(jù)庫沒法通知我們這個事件。那么，如果使用ZooKeeper是否可以做到這一點呢？ 那在之前，我們介紹了ZooKeeper創(chuàng)建節(jié)點的API接口，其中一個重要特性便是：利用ZooKeeper的強一致性，能夠很好保證在分布式高并發(fā)情況下節(jié)點的創(chuàng)建一定能夠保證全局唯一性，即ZooKeeper將會保證客戶端無法重復創(chuàng)建一個已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)節(jié)點。也就是說，如果同時有多個客戶端請求創(chuàng)建同一個節(jié)點，那么最終一定只有一個客戶端請求能夠創(chuàng)建成功。利用這個特性，就能很容易地在分布式環(huán)境中進行Master選舉了。

在這個系統(tǒng)中，首先會在 ZooKeeper 上創(chuàng)建一個日期節(jié)點，例如“2020-11-11

客戶端集群每天都會定時往ZooKeeper 上創(chuàng)建一個臨時節(jié)點，例如/master_election/2020-11-11/binding。在這個過程中，只有一個客戶端能夠成功創(chuàng)建這個節(jié)點，那么這個客戶端所在的機器就成為了Master。同時，其他沒有在ZooKeeper上成功創(chuàng)建節(jié)點的客戶端，都會在節(jié)點/master_election/2020-11-11 上注冊一個子節(jié)點變更的 Watcher，用于監(jiān)控當前的 Master 機器是否存活，一旦發(fā)現(xiàn)當前的 Master 掛了，那么其余的客戶端將會重新進行Master選舉。

從上面的講解中，我們可以看到，如果僅僅只是想實現(xiàn)Master選舉的話，那么其實只需要有一個能夠保證數(shù)據(jù)唯一性的組件即可，例如關系型數(shù)據(jù)庫的主鍵模型就是非常不錯的選擇。但是，如果希望能夠快速地進行集群 Master 動態(tài)選舉，那么就可以基于 ZooKeeper來實現(xiàn)。


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