面试题：分布式系统下ZooKeeper处理数据一致性的选举机制及应用场景

Question

在ZooKeeper分布式系统中，当出现服务器节点故障或新增节点时，其选举机制是如何保障数据一致性的？请举例说明在不同应用场景下（如主从架构、分布式锁）这种选举机制对数据一致性的具体作用。

Answer 1

ZooKeeper选举机制保障数据一致性原理

1. 故障节点情况：
   • 当有服务器节点故障时，ZooKeeper采用Paxos算法的变种Fast Paxos算法来进行选举。在选举过程中，每个节点会相互通信，交换自己认为的leader信息。
   • 例如，假设集群中有5个节点（A、B、C、D、E），节点C出现故障。剩下的节点A、B、D、E会发起选举。每个节点都会向其他节点发送包含自己ID和ZXID（事务ID，越大表示数据越新）的投票信息。节点会优先选择ZXID大的节点作为leader，如果ZXID相同，则选择ID大的节点。最终，假设节点D的ZXID最大，那么节点D会被选举为leader。新的leader会与其他节点进行数据同步，确保所有节点的数据一致。
2. 新增节点情况：
   • 新增节点时，新节点会先从现有集群中选择一个节点进行连接。然后，现有集群会将自身的状态信息（如当前leader是谁、数据版本等）告知新节点。
   • 例如，新增节点F，它连接到节点B。节点B会把当前leader（假设还是节点D）的信息以及自身的数据版本等信息告诉节点F。节点F会与leader（节点D）进行数据同步，leader会将最新的数据同步给节点F，从而保证整个集群数据一致性。

在不同应用场景下选举机制对数据一致性的作用

1. 主从架构：
   • 在主从架构应用场景中，ZooKeeper选举出的leader作为主节点，其他节点作为从节点。
   • 例如，在一个分布式文件系统中，主节点负责处理文件的元数据更新等关键操作。当主节点故障时，通过选举产生新的主节点。新主节点会从原主节点（如果可恢复）或其他从节点同步最新的数据，确保新主节点拥有最新的元数据信息。这样，无论是读操作还是写操作，整个分布式文件系统的数据都是一致的。从节点也会不断与主节点保持数据同步，当客户端从不同从节点读取数据时，能获取到一致的数据。
2. 分布式锁：
   • 在分布式锁场景下，ZooKeeper利用选举机制保证数据一致性，从而确保锁的唯一性和操作的原子性。
   • 例如，多个客户端竞争分布式锁。ZooKeeper集群通过选举确定leader。当一个客户端尝试获取锁时，它会在ZooKeeper上创建一个临时顺序节点。leader负责协调这些节点的顺序，只有序号最小的节点对应的客户端能获取到锁。如果获取锁的客户端所在节点故障，ZooKeeper会重新选举，新的leader会重新确定锁的归属，确保数据一致性。这样，不会出现多个客户端同时认为自己获取到锁的情况，保证了分布式系统中共享资源操作的一致性。