周末专题突破：高可用设计 - 自动故障转移第 191 讲：解析 ZooKeeper Watcher 机制，演示主节点选举（Leader Election）在分布式系统中的实现

在分布式系统中，高可用性和自动故障转移是确保系统稳定运行的关键因素。ZooKeeper 作为一种分布式协调服务，广泛应用于各种分布式系统中，以实现高可用设计和自动故障转移。本文将深入解析 ZooKeeper 的 Watcher 机制，并演示主节点选举（Leader Election）在分布式系统中的实现。

一、ZooKeeper 简介

ZooKeeper 是一个分布式的、开源的分布式应用程序协调服务，主要用于维护配置信息、命名空间、分布式同步和提供组服务。它通过一个简单的接口和数据模型，帮助开发人员构建可靠的分布式系统。

二、Watcher 机制

Watcher 是 ZooKeeper 的核心机制之一，它允许客户端在指定节点上注册一个监听器，当该节点发生变化时，ZooKeeper 会通知客户端。这种机制使得客户端能够实时响应集群中的变化，从而实现高效的分布式协调。

1. Watcher 的工作原理

注册 Watcher：客户端通过 API 在指定节点上注册一个 Watcher。
触发 Watcher：当节点发生变化（如数据更新、删除、子节点变化等），ZooKeeper 会向客户端发送通知。
一次性触发：Watcher 只会被触发一次，客户端需要重新注册以持续监听。

2. Watcher 的应用场景

配置管理：监听配置节点的变化，实时更新配置信息。
集群管理：监听集群成员的变化，动态调整集群状态。
任务调度：监听任务节点的状态，实现任务的自动调度和负载均衡。

三、主节点选举（Leader Election）

在分布式系统中，主节点选举是一个关键过程，用于选择一个节点作为主节点（Leader），负责协调和管理集群中的其他节点。ZooKeeper 提供了可靠的 Leader Election 机制，确保集群的高可用性和一致性。

1. Leader Election 的实现步骤

创建临时顺序节点：每个节点在 ZooKeeper 中创建一个临时顺序节点。
获取节点列表：节点获取父节点下的所有子节点列表。
确定 Leader：节点根据序号选择最小的节点作为 Leader。
监听前一个节点：非 Leader 节点监听前一个节点的变化，当前一个节点失效时，重新进行选举。

2. Leader Election 的代码示例

以下是一个简单的 Leader Election 实现代码示例：

public class LeaderElection implements Watcher {
    private static final String ZK_ADDRESS = "localhost:2181";
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 3000;
    private static final String ELECTION_NAMESPACE = "/election";
    private String currentZnodeName = null;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        LeaderElection leaderElection = new LeaderElection();
        leaderElection.connectToZooKeeper();
        leaderElection.volunteerForLeadership();
        leaderElection.reelectLeader();
        Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
    }

    public void connectToZooKeeper() throws Exception {
        zk = new ZooKeeper(ZK_ADDRESS, SESSION_TIMEOUT, this);
    }

    public void volunteerForLeadership() throws Exception {
        currentZnodeName = zk.create(ELECTION_NAMESPACE + "/c_", new byte[]{}, Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
    }

    public void reelectLeader() throws Exception {
        Stat predecessorStat = null;
        while (predecessorStat == null) {
            List<String> children = zk.getChildren(ELECTION_NAMESPACE, false);
            Collections.sort(children);
            String smallestChild = children.get(0);
            if (currentZnodeName.endsWith(smallestChild)) {
                System.out.println("I am the leader");
                return;
            } else {
                int predecessorIndex = Collections.binarySearch(children, currentZnodeName.substring(ELECTION_NAMESPACE.length() + 1)) - 1;
                String predecessor = ELECTION_NAMESPACE + "/" + children.get(predecessorIndex);
                predecessorStat = zk.exists(predecessor, this);
            }
        }
    }

    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        switch (event.getType()) {
            case None:
                if (event.getState() == Event.KeeperState.SyncConnected) {
                    System.out.println("Successfully connected to ZooKeeper");
                } else {
                    synchronized (zooKeeper) {
                        System.out.println("Disconnected from ZooKeeper event");
                        zooKeeper.notifyAll();
                    }
                }
                break;
            case NodeDeleted:
                try {
                    reelectLeader();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
        }
    }
}