今天我們深入剖析 Zookeeper Atomic Broadcast（ZAB）協議，特別聚焦于 “如何實現操作的順序性” 這個核心問題。ZAB 協議是 Zookeeper 保證分布式數據一致性的重要基礎，它解決了 Paxos 在操作順序性上的天然不足，使得 Zookeeper 能夠在分布式場景中穩定地提供一致性和高可用性。

本文將從以下四個方面展開：

1. 為什么 Multi-Paxos 無法保證操作的順序性？
2. ZAB 協議如何保證操作的順序性？
3. 核心流程與源碼解析
4. 關鍵實現細節與 Java 源碼示例

一、為什么 Multi-Paxos 無法保證操作的順序性？

1.1 Multi-Paxos 簡述

Multi-Paxos 是 Paxos 算法的擴展，解決了單輪 Paxos 只能處理一個提案的問題。它通過選舉一個主節點（Leader），由主節點發起多輪 Paxos 協議，確保所有副本達成一致性。

1.2 順序性問題

雖然 Multi-Paxos 能夠確保每個提案（Proposal）達成一致，但它并不關心提案之間的順序。比如：

• 請求 A 和請求 B 可能被不同節點在不同時間接受。
• Multi-Paxos 無法強制所有節點按照統一的順序處理 A 和 B。

1.3 ZAB 協議的引入

為了在分布式系統中提供嚴格的操作順序性，Zookeeper 設計了 ZAB 協議，它在 Paxos 的基礎上增加了 事務 ID（zxid） 和 廣播日志（Broadcast Log），確保所有操作按照統一的順序被處理。

二、ZAB 協議如何保證操作的順序性？

2.1 核心概念

1. 事務 ID（zxid）

• 每個事務都有一個唯一的 zxid（Zookeeper Transaction ID）。
• zxid 是一個64位的數字：前32位是 epoch（領導周期），后32位是 自增計數器。
• zxid 的有序性確保了所有節點按照相同的順序處理事務。

2. 廣播日志（Broadcast Log）

• Leader 將所有的寫請求轉化為 Proposal（提議），并以廣播的方式發送給所有的 Follower。
• 每個 Follower 接收到 Proposal 后，都會按照 zxid 的順序 進行記錄和提交。

3. 兩階段提交

ZAB 協議在 Leader 和 Follower 之間采用了兩階段提交機制：

• 階段1：數據廣播（Proposal Broadcasting）
• 階段2：確認提交（Commit Confirmation）

只有當過半節點確認 Proposal 后，Leader 才會提交該事務。

2.2 操作順序性的實現

1. Leader 分配有序 zxid

每次 Leader 處理一個客戶端的寫請求時，它都會分配一個全局有序的 zxid。

2. Proposal 廣播

Leader 將事務轉化為 Proposal，并按 zxid 順序向所有 Follower 廣播。

3. Follower 日志追加

Follower 接收到 Proposal 后，先將其追加到本地日志中，但暫不提交。

4. Leader 收到過半確認

Leader 收到過半 Follower 的 ACK 后，向所有節點發送 COMMIT 命令。

5. Follower 提交

Follower 接收到 COMMIT 命令后，按照 zxid 的順序提交事務。

三、核心流程與源碼解析

接下來我們將通過 Java 源碼示例，剖析 ZAB 協議如何實現操作順序性。

3.1 Leader 生成 zxid

Leader 在處理請求時生成全局唯一的 zxid。

public class Leader {
    private long epoch = 0; // 當前領導紀元
    private long counter = 0; // zxid 計數器

    // 生成唯一的 zxid
    public synchronized long generateZxid() {
        counter++;
        return (epoch << 32) | counter;
    }
}

說明：

• epoch：領導周期，當新的 Leader 被選出時增加。
• counter：自增計數器，每次寫請求遞增。

3.2 Proposal 廣播

Leader 將事務轉化為 Proposal 并廣播給 Follower。

public class Leader {
    public void proposeTransaction(String data) {
        long zxid = generateZxid();
        Proposal proposal = new Proposal(zxid, data);
        
        // 廣播 Proposal
        for (Follower follower : followers) {
            follower.receiveProposal(proposal);
        }
    }
}

public class Proposal {
    private long zxid;
    private String data;

    public Proposal(long zxid, String data) {
        this.zxid = zxid;
        this.data = data;
    }
}

說明：

• Leader 將請求封裝成 Proposal 并攜帶 zxid。
• Proposal 廣播給所有 Follower。

3.3 Follower 追加日志

Follower 接收到 Proposal 后，將其追加到本地日志。

public class Follower {
    private List<Proposal> log = new ArrayList<>();

    public void receiveProposal(Proposal proposal) {
        log.add(proposal); // 追加到本地日志
        sendAck(proposal.getZxid());
    }

    public void sendAck(long zxid) {
        System.out.println("ACK for zxid: " + zxid);
    }
}

說明：

• Follower 將 Proposal 追加到本地日志中。
• 發送 ACK 回 Leader。

3.4 Leader 提交 Proposal

Leader 收到過半 Follower 的 ACK 后，發送 COMMIT 指令。

public class Leader {
    public void commitProposal(long zxid) {
        for (Follower follower : followers) {
            follower.commit(zxid);
        }
    }
}

Follower 提交事務：

public class Follower {
    public void commit(long zxid) {
        System.out.println("Committed transaction with zxid: " + zxid);
    }
}

說明：

• Leader 等待大多數 Follower 發送 ACK。
• Leader 發送 COMMIT 指令。
• Follower 提交事務。

四、關鍵實現細節與總結

4.1 操作順序性核心保障

1. 唯一有序 zxid：確保每個事務有唯一的順序標識。
2. 日志追加：Follower 嚴格按照 zxid 追加日志。
3. 兩階段提交：只有過半節點確認后，事務才會被提交。

4.2 對比 Multi-Paxos

• Multi-Paxos：共識，但不保證順序性。
• ZAB：通過 zxid 和廣播日志，嚴格保證操作順序。

五、總結

ZAB 協議通過 全局有序的 zxid 和 兩階段提交 機制，實現了分布式系統中事務的全局有序性。這種設計確保了 Zookeeper 能夠在復雜的分布式環境中，提供一致性和高可用性。