一、Leader選舉過程
Leader選舉是保證分布式數據一致性的關鍵所在。當Zookeeper集群中的一臺服務器出現以下兩種情況之一時，需要進入Leader選舉。
(1) 服務器初始化啟動。
(2) 服務器運行期間無法和Leader保持連接。
下面就兩種情況進行分析講解。
1、服務器啟動時期的Leader選舉
若進行Leader選舉，則至少需要兩臺機器，這里選取3臺機器組成的服務器集群為例。在集群初始化階段，當有一臺服務器Server1啟動時，其單獨無法進行和完成Leader選舉，當第二臺服務器Server2啟動時，此時兩臺機器可以相互通信，每臺機器都試圖找到Leader，于是進入Leader選舉過程。選舉過程如下：
(1) 每個Server發出一個投票。由于是初始情況，Server1和Server2都會將自己作為Leader服務器來進行投票，每次投票會包含所推舉的服務器的myid和ZXID，使用(myid, ZXID)來表示，此時Server1的投票為(1, 0)，Server2的投票為(2, 0)，然后各自將這個投票發給集群中其他機器。
(2) 接受來自各個服務器的投票。集群的每個服務器收到投票后，首先判斷該投票的有效性，如檢查是否是本輪投票、是否來自LOOKING狀態的服務器。
(3) 處理投票。針對每一個投票，服務器都需要將別人的投票和自己的投票進行PK，PK規則如下
a、優先檢查ZXID。ZXID比較大的服務器優先作為Leader。
b、如果ZXID相同，那么就比較myid。myid較大的服務器作為Leader服務器。
對于Server1而言，它的投票是(1, 0)，接收Server2的投票為(2, 0)，首先會比較兩者的ZXID，均為0，再比較myid，此時Server2的myid最大，于是更新自己的投票為(2, 0)，然后重新投票，對于Server2而言，其無須更新自己的投票，只是再次向集群中所有機器發出上一次投票信息即可。
(4) 統計投票。每次投票后，服務器都會統計投票信息，判斷是否已經有過半機器接受到相同的投票信息，對于Server1、Server2而言，都統計出集群中已經有兩臺機器接受了(2, 0)的投票信息，此時便認為已經選出了Leader。
(5) 改變服務器狀態。一旦確定了Leader，每個服務器就會更新自己的狀態，如果是Follower，那么就變更為FOLLOWING，如果是Leader，就變更為LEADING。
2、服務器運行時期的Leader選舉
在Zookeeper運行期間，Leader與非Leader服務器各司其職，即便當有非Leader服務器宕機或新加入，此時也不會影響Leader，但是一旦Leader服務器掛了，那么整個集群將暫停對外服務，進入新一輪Leader選舉，其過程和啟動時期的Leader選舉過程基本一致。假設正在運行的有Server1、Server2、Server3三臺服務器，當前Leader是Server2，若某一時刻Leader掛了，此時便開始Leader選舉。選舉過程如下
(1) 變更狀態。Leader掛后，余下的非Observer服務器都會講自己的服務器狀態變更為LOOKING，然后開始進入Leader選舉過程。
(2) 每個Server會發出一個投票。在運行期間，每個服務器上的ZXID可能不同，此時假定Server1的ZXID為123，Server3的ZXID為122；在第一輪投票中，Server1和Server3都會投自己，產生投票(1, 123)，(3, 122)，然后各自將投票發送給集群中所有機器。
(3) 接收來自各個服務器的投票。與啟動時過程相同。
(4) 處理投票。與啟動時過程相同，此時，Server1將會成為Leader。
(5) 統計投票。與啟動時過程相同。
(6) 改變服務器的狀態。與啟動時過程相同。
二、Leader選舉算法分析
在3.4.0后的Zookeeper的版本只保留了TCP版本的 FastLeaderElection 選舉算法。當一臺機器進入Leader選舉時，當前集群可能會處于以下兩種狀態
a、集群中已存在Leader。
b、集群中不存在Leader。
對于集群中已經存在Leader而言，此種情況一般都是某臺機器啟動得較晚，在其啟動之前，集群已經在正常工作，對這種情況，該機器試圖去選舉Leader時，會被告知當前服務器的Leader信息，對于該機器而言，僅僅需要和Leader機器建立起連接，并進行狀態同步即可。而在集群中不存在Leader情況下則會相對復雜，其步驟如下
(1) 第一次投票。無論哪種導致進行Leader選舉，集群的所有機器都處于試圖選舉出一個Leader的狀態，即LOOKING狀態，LOOKING機器會向所有其他機器發送消息，該消息稱為投票。投票中包含了SID（服務器的唯一標識）和ZXID（事務ID），(SID, ZXID)形式來標識一次投票信息。假定Zookeeper由5臺機器組成，SID分別為1、2、3、4、5，ZXID分別為9、9、9、8、8，并且此時SID為2的機器是Leader機器，某一時刻，1、2所在機器出現故障，因此集群開始進行Leader選舉。在第一次投票時，每臺機器都會將自己作為投票對象，于是SID為3、4、5的機器投票情況分別為(3, 9)，(4, 8)， (5, 8)。
(2) 變更投票。每臺機器發出投票后，也會收到其他機器的投票，每臺機器會根據一定規則來處理收到的其他機器的投票，并以此來決定是否需要變更自己的投票，這個規則也是整個Leader選舉算法的核心所在，其中術語描述如下
vote_sid：接收到的投票中所推舉Leader服務器的SID。
vote_zxid：接收到的投票中所推舉Leader服務器的ZXID。
self_sid：當前服務器自己的SID。
self_zxid：當前服務器自己的ZXID。
每次對收到的投票的處理，都是對(vote_sid, vote_zxid)和(self_sid, self_zxid)對比的過程。
規則一：如果vote_zxid大于self_zxid，就認可當前收到的投票，并再次將該投票發送出去。
規則二：如果vote_zxid小于self_zxid，那么堅持自己的投票，不做任何變更。
規則三：如果vote_zxid等于self_zxid，那么就對比兩者的SID，如果vote_sid大于self_sid，那么就認可當前收到的投票，并再次將該投票發送出去。
規則四：如果vote_zxid等于self_zxid，并且vote_sid小于self_sid，那么堅持自己的投票，不做任何變更。
結合上面規則，給出下面的集群變更過程。
(3) 確定Leader。經過第二輪投票后，集群中的每臺機器都會再次接收到其他機器的投票，然后開始統計投票，如果一臺機器收到了超過半數的相同投票，那么這個投票對應的SID機器即為Leader。此時Server3將成為Leader。
由上面規則可知，通常那臺服務器上的數據越新（ZXID會越大），其成為Leader的可能性越大，也就越能夠保證數據的恢復。如果ZXID相同，則SID越大機會越大。
