Raft算法之选举篇

Posted 2021-04-27 程序员升级之路

前面我们介绍了Raft算法，接下来会分篇讲述每一个部分，今天讲述选举的细节。

在讲述选举之前，先介绍下Raft算法基础。

一、Raft基础

1、节点角色

在Raft中，在任意时刻，服务器节点只能是以下3个角色之一：

Follower（跟随者）：系统启动时默认的角色，一般来说不参与客户端读、写请求，接受Leader发送过来的心跳追加日志，在Leader挂了之后转变为Candidate；

Candidate（候选人）：如果当前没有Leader，Follower就转变为这个角色，这个角色会向其它节点发起投票请求，如果多数节点同意投票，则晋升为Leader；

Leader（领导人）：接受客户端的读、写请求，协调整个日志的持久化和推进；

下面讲节点角色时统一用英文描述。

2、节点角色状态迁移图

系统启动时，大家都是Follower，然后启动定时器，如果在指定时间没有收到Leader的心跳，则将自己变成Candidate，然后向其它成员发起投票请求，如果收到过半以上成员的投票则Candidate晋升为Leader；

Leader发送心跳给其它成员时如果收到的响应中term比自己的大，则退化成Follower；

3、逻辑时钟(term)

选举过程有个term参数，这个参数就是逻辑时钟，这是一个整数，全局递增；Raft 把时间分割成任意长度的任期，用term来标识每一届leader的任期，这样可以保证在一个任期内只有一个Leader。

逻辑时钟规则如下：

Candidate发起选举时就将自己的term加1，然后发起投票请求；

收到投票请求的节点比较请求的term和自己的term，如果请求的term比自己的大，则更新自己的term；

这样在即使每个节点的时间不一样的情况下也可以推进逻辑时钟；

4、状态

状态	所有服务器上持久存在的
currentTerm	服务器最后一次知道的任期号（初始化为 0，持续递增）
votedFor	在当前获得选票的候选人的 Id
log[]	日志条目集；每一个条目包含一个用户状态机执行的指令，和收到时的任期号

上面的状态是所有节点都要保存的，并且要持久化的，即每次变更马上要写入磁盘。

状态	所有服务器上经常变的
commitIndex	已知的最大的已经被提交的日志条目的索引值
lastApplied	最后被应用到状态机的日志条目索引值（初始化为 0，持续递增）

上面的状态是保存在内在中，每次重启后都0开始，即不需要持久化到磁盘上。

状态	在领导人里经常改变的 （选举后重新初始化）
nextIndex[]	对于每一个服务器，需要发送给他的下一个日志条目的索引值（初始化为领导人最后索引值加一）
matchIndex[]	对于每一个服务器，已经复制给他的日志的最高索引值

上述只有在Leader节点才会需要保存，并且是也是保存在内存中，不需要持久化，重启后从0开始。

二、领导人选举

领导人选举发生的条件为Follower没收到Leader的心跳，具体场景一般如下：

1、系统启动时

2、Leader挂了或网络分区了

具体细节如下：

1、请求投票 RPC

由候选人发起

参数	解释
term	候选人的任期号
candidateId	请求选票的候选人的 Id
lastLogIndex	候选人的最后日志条目的索引值
lastLogTerm	候选人最后日志条目的任期号

返回值

返回值	解释
term	当前任期号，以便于候选人去更新自己的任期号
voteGranted	候选人赢得了此张选票时为真

接收请求投票的节点响应规则如下：

1. 如果term < currentTerm返回 false；
2. 如果 votedFor 为空或者为 candidateId，并且候选人的日志至少和自己一样新，那么就投票给他；
   
   

第1条规则好理解，第2条规则前面部分是为了保证在一个任期内每个节点只投1票，前面也说过这个信息是要持久化的；

候选人的日志至少和自己一样新：这里说的就比较笼统了，这里的意思是要看下各自最后1条日志，即两者的索引号和term都对的上，我们看一个实际的例子：

 

上面的例子从上往下假设分别为A、B、C、D、E节点，A当前为Leader，各节点日志索引如下：

A：8

B：5

C：8

D：2

E：7

如果这时候A挂了，如果D最先升级为Candidate，B、C、E收到请求后都不会为D投票，拿B来说，B发现D的最后一条日志索引为2，而自己的日志索引为8，因此拒绝B的请求。

关于选举还有其它一些规则：

1、针对Follower

如果在超过选举超时时间的情况之前都没有收到Leader的心跳，或者是Candidate请求投票的，就自己变成Candidate;

2、针对Candidate

开始选举后的动作如下：

自增当前的任期号（currentTerm）; 

给自己投票; 

重置选举超时计时器;

发送请求投票的 RPC 给其他所有服务器; 

收到响应后的规则：

如果接收到大多数服务器的选票，那么就变成Leader；

如果接收到来自新的领导人的心跳信息，则转变成Leader；

如果选举过程超时，再次发起一轮选举; 

3、针对Leader

一旦成为领导人：发送空的附加日志 RPC（心跳）给其他所有的服务器；

在一定的空余时间之后不停的重复发送，以阻止跟随者超时。