ZooKeeper服务端可以支持单节点和集群，对于单节点模式，所有客户端都连接到同一个服务端节点执行操作；对于集群模式，ZooKeeper服务端会选举一个leader节点，其它服务端节点与leader相连，并保存相同的数据。每个服务端节点都能处理读操作，但对于写操作，都需要通过leader节点发起。

服务端节点管理

在集群模式下，ZooKeeper服务端包含以下3种类型的服务端节点：
-leader：由集群中的所有服务端节点共同选举产生，负责保障修改操作（包括create、setData和delete）的顺序；
-follower：leader之外的节点，参与leader的选举过程，并参与修改操作的投票；
-observer：不参与leader选举过程和修改操作的投票，仅保存数据，响应数据修改，为客户端提供查询操作。
leader、follower和observer都保存完整的数据。由于observer节点不参与leader的选举和修改操作的投票，增加observer节点可以提高系统的吞吐量，却不会对集群维护的效率造成太多影响。

数据查询

ZooKeeper的查询操作包括exists、getData和getChildren。对于查询操作，ZooKeeper服务端直接从本地读取数据并返回给客户端。由于该特性，ZooKeeper对于读操作是非常快速的，并且很容易通过扩展服务器数量来增加吞吐量。

数据修改

ZooKeeper的改变操作包括create、delete和setData，所有改变操作都由leader完成。具体过程如下。
ZooKeeper客户端发起一个修改请求，包含修改的znode的新数据和新的版本号，新的版本号是在现有的版本号基础上加1，ZooKeeper服务端收到修改请求后会将请求转发给leader节点，leader节点将修改请求封装为一个事务，并发起修改流程（详细流程参考后续的“数据一致性”章节）。
修改操作是原子的，当ZooKeeper的服务端修改数据时，需要确保所有的改变（数据和版本号）作为一个事务修改，要么都成功，要么都失败。ZooKeeper没有提供像关系数据库那样的回滚机制，但他保证多个事务之间不会有相互影响。
事务也要求是等幂的，即同一个事务执行多次，会得到同样的结果。甚至，同一批事务执行多次，只要都按照相同的顺序执行，都能得到相同的结果。
ZooKeeper为每个事务生成一个唯一标识zxid（ZooKeeper transaction ID），zxid用于保障ZooKeeper的服务端按序执行事务。zxid分为epoch和counter两个部分，各占32位，epoch用于标识目前是哪个leader，而counter标识当前leader处理的事务的流水号。当新的leader产生时，epoch加1，以帮助在服务器之间同步状态。每处理一个新增的事务counter加1，因此如果两个事务的zxid为zxid1、zxid2，如果zxid1大于zxid2，则zxid1在zxid2后面产生。

leader选举

Zookeeper中leader的作用是对客户端的create、setData和delete操作排序。leader由集群中节点一起选举产生。

服务端节点状态管理

ZooKeeper的服务端节点存在以下状态：

 - LOOKING：正在寻找一个已经存在的leader，或者进行leader的选择；
 - LEADING：赢得了leader的选举，成为leader；
 - FOLLOWING：在leader选举中失败，成为follower。

Split-Brain

Split-Brain问题是当网络发生故障时，集群被分成了两个部分，两个部分都不知道对方是否还在正常运行，所以这两个部分都会选举1个leader，而一旦两部分都选出了leader，而网络又恢复了，整个集群中就会出现两个leader，导致集群的状态不一致。
ZooKeeper为了解决Split-Brain问题，要求集群中至少要有超过一半的节点（不包含oberver）正常运行整个集群才能正常运转，这也是集群节点数量为奇数容忍度高的原因。因为：集群节点数量为3，容许1个节点失效；集群节点数量为4，容许1个节点失效，节点数量为4没有增加容忍失效的节点数量，反而增加了数据同步的负担（增加吞吐量可以通过增加observer节点来实现）。

leader选举过程

ZooKeeper服务端节点启动后就进入LOOKING状态，如果集群中已经存在一个leader，则其它节点会通知该节点leader是谁，当该节点连接到leader后，开始与leader做数据同步，确保自己的状态和leader的状态一致。
如果集群中不存在leader，该节点则需要和集群中的所有其它节点一起选出一个leader，被选出的leader进入LEADING状态，未成为leader的选举节点进入FOLLOWING状态。选举过程如下：
当一个节点进入LOOKING状态，它向集群中的其他所有节点发送一个通知消息，消息中包含它的当前投票对象的服务器标识（sid）和投票对象最后执行的事务的zxid。
当一个节点收到一个投票通知后，根据以下规则处理：

1. 令voteId和voteZxid为收到通知消息的sid和zxid；
2. 如果(voteZxid > myZxid) 或者 (voteZxid = myZxid and voteId > mySid)，保留当前投票；
3. 否则，将自身sid和zxid作为voteId和voteZxid。

一旦一个节点收到大多数节点（超过一半）的相同投票，节点就宣布leader选举完成。如果leader是他自身，他则开始执行leader角色，否则他成为follower并尝试连接到leader。一旦连接到leader，则开始和leader同步状态，只有当状态同步完成后，follower才开始处理新的请求。如果连接失败，该server将不可用。
ZooKeeper的选举过程决定了集群中只要有一半以上的节点可用，集群就能正常运转。当集群的leader挂掉之后，只要集群还有一半以上的节点可用，集群就可以选取出新的leader，继续正常运转。