go-raft实现共识算法

说明
goraft是Raft协议的Golang版本的实现，项目地址为：goraft/raft。整个代码质量较高，值得仔细品味。因此，整理了该博文探究下其内部实现。
数据结构
goraft主要抽象了server、peer和log三个结构，分别代表服务节点、Follower节点和日志。
server
Raft作为一种多节点状态一致性维护协议，运行过程中必然涉及到多个物理节点，server就是用来抽象其中的每个节点，维护节点的状态信息。其结构如下：
type server struct {
*eventDispatcher

namestring pathstring statestring transporter Transporter contextinterface{} currentTerm uint64votedForstring log*Log leaderstring peersmap[string]*Peer mutexsync.RWMutex syncedPeer map[string]boolstoppedchan bool cchan *ev electionTimeouttime.Duration heartbeatInterval time.Durationsnapshot *Snapshot// PendingSnapshot is an unfinished snapshot. // After the pendingSnapshot is saved to disk, // it will be set to snapshot and also will be // set to nil. pendingSnapshot *SnapshotstateMachineStateMachine maxLogEntriesPerRequest uint64 connectionString string routineGroup sync.WaitGroup

}
state：每个节点总是处于以下状态的一种：follower、candidate、leader
currentTerm：Raft协议关键概念，每个term内都会产生一个新的leader
peers：raft中每个节点需要了解其他节点信息，尤其是leader节点
syncedPeer：对于leader来说，该成员记录了日志已经被sync到了哪些follower
c：当前节点的命令通道，所有的命令都通过该channel来传递
pendingSnapshot：暂时未知
peer
peer描述的是集群中其他节点的信息，结构如下：
// A peer is a reference to another server involved in the consensus protocol.
type Peer struct {
server *server
Name string json:"name"
ConnectionString string json:"connectionString"
prevLogIndex uint64
stopChan chan bool
heartbeatInterval time.Duration
lastActivity time.Time
sync.RWMutex
}
server：peer中的某些方法会依赖server的状态，如peer内的appendEntries方法需要获取server的currentTerm
Name：peer的名称
ConnectionString：peer的ip地址，形式为”ip:port”
prevLogIndex：这个很关键，记录了该peer的当前日志index，接下来leader将该index之后的日志继续发往该peer
lastActivity：记录peer的上次活跃时间
log
log是Raft协议的核心，Raft使用日志来存储客户发起的命令，并通过日志内容的同步来维护多节点上状态的一致性。
// A log is a collection of log entries that are persisted to durable storage.
type Log struct {
ApplyFunc func(*LogEntry, Command) (interface{}, error)
file *os.File
path string
entries []*LogEntry
commitIndex uint64
mutex sync.RWMutex
startIndex uint64
startTerm uint64
initialized bool
}
ApplyFunc：日志被应用至状态机的方法，这个应该由使用raft的客户决定
file：日志文件句柄
path：日志文件路径
entries：内存日志项缓存
commitIndex：日志提交点，小于该提交点的日志均已经被应用至状态机
startIndex/startTerm：日志中起始日志项的index和term
log entry
log entry是客户发起的command存储在日志文件中的内容
type LogEntry struct {
Index *uint64 protobuf:"varint,1,req" json:"Index,omitempty"
Term *uint64 protobuf:"varint,2,req" json:"Term,omitempty"
CommandName *string protobuf:"bytes,3,req" json:"CommandName,omitempty"
Command []byte protobuf:"bytes,4,opt" json:"Command,omitempty"
XXX_unrecognized []byte json:"-"
}
// A log entry stores a single item in the log.
type LogEntry struct {
pb *protobuf.LogEntry
Position int64 // position in the log file
log *Log
event *ev
}
LogEntry是日志项在内存中的描述结构，其最终存储在日志文件是经过protocol buffer编码以后的信息
Position代表日志项存储在日志文件内的偏移
编码后的日志项包含Index、Term，原始Command的名称以及Command具体内容
关键流程
客户端请求
客户端使用go-raft的时候，先初始化环境，这里不仔细描述，接下来看客户如何发起一个请求：
command := &raft.DefaultJoinCommand{}
if _, err := s.raftServer.Do(command); err != nil {
http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError)
return
}
客户命令执行的入口是Do：
func (s *server) Do(command Command) (interface{}, error) {
return s.send(command)
}
// Sends an event to the event loop to be processed. The function will wait until the event is actually processed before returning.
func (s *server) send(value interface{}) (interface{}, error) {
if !s.Running() {
return nil, StopError
}

event := &ev{target: value, c: make(chan error, 1)} select { case s.c <- event: case <-s.stopped: return nil, StopError } select { case <-s.stopped: return nil, StopError case err := <-event.c: return event.returnValue, err }

}
send的处理流程很简单，首先将命令写入到server的命令channel，然后等待命令处理完成。
而server作为leader启动完成时会进入一个leaderLoop来处理所有用户的命令：
func (s *server) leaderLoop() {
logIndex, _ := s.log.lastInfo()
…
// Begin to collect response from followers
for s.State() == Leader {
select {
case <-s.stopped:
…
case e := <-s.c:
switch req := e.target.(type) {
// 代表客户端命令
case Command:
s.processCommand(req, e)
continue
…
}
}
}
}
processCommand处理如下：
// Processes a command.
func (s *server) processCommand(command Command, e *ev) {
s.debugln(“server.command.process”)

// Create an entry for the command in the log. entry, err := s.log.createEntry(s.currentTerm, command, e)if err != nil { s.debugln("server.command.log.entry.error:", err) e.c <- err return }if err := s.log.appendEntry(entry); err != nil { s.debugln("server.command.log.error:", err) e.c <- err return }s.syncedPeer[s.Name()] = true if len(s.peers) == 0 { commitIndex := s.log.currentIndex() s.log.setCommitIndex(commitIndex) s.debugln("commit index ", commitIndex) }

}
这里的逻辑比较简单，创建日志项并将日志项append至日志文件，如果过程中由任何错误，就将这个错误写入e.c：e.c <- err，这样等待在该channel的客户端就会收到通知，立即返回。
如果没有错误，这时候客户端还是处于等待状态的，这是因为虽然该Command被leader节点成功处理了，但是该Command的日志还没有被同步至大多数Follow节点，因此该Command也就无法被提交，所以发起该Command的客户端依然等在那，Command被提交，这在后面的日志同步过程中会有所体现。
日志同步
go-raft的leader向Follower同步日志是在heartbeat中完成的：
// Listens to the heartbeat timeout and flushes an AppendEntries RPC.
func (p *Peer) heartbeat(c chan bool) {
stopChan := p.stopChan
c <- true
ticker := time.Tick(p.heartbeatInterval)

for { select { case flush := <-stopChan: if flush { // before we can safely remove a node // we must flush the remove command to the node first p.flush() return } else { return }case <-ticker: start := time.Now() p.flush() duration := time.Now().Sub(start) p.server.DispatchEvent(newEvent(HeartbeatEventType, duration, nil)) } }

}
func (p *Peer) flush() {
debugln("peer.heartbeat.flush: ", p.Name)
prevLogIndex := p.getPrevLogIndex()
term := p.server.currentTerm

entries, prevLogTerm := p.server.log.getEntriesAfter(prevLogIndex, p.server.maxLogEntriesPerRequest)if entries != nil { p.sendAppendEntriesRequest(newAppendEntriesRequest(term, prevLogIndex, prevLogTerm, p.server.log.CommitIndex(), p.server.name, entries)) } else { p.sendSnapshotRequest(newSnapshotRequest(p.server.name, p.server.snapshot)) }

}
核心的逻辑是将leader上的日志通过构造一个AppendEntriesRequest发送给从节点，当然只同步那些Follower上还没有的日志，即prevLogIndex以后的log entry。
// Sends an AppendEntries request to the peer through the transport.
func (p *Peer) sendAppendEntriesRequest(req *AppendEntriesRequest) {

resp := p.server.Transporter().SendAppendEntriesRequest(p.server, p, req) if resp == nil { p.server.DispatchEvent(newEvent(HeartbeatIntervalEventType, p, nil)) return } p.setLastActivity(time.Now()) // If successful then update the previous log index. p.Lock() if resp.Success() { ...... } ...... resp.peer = p.Name // Send response to server for processing. p.server.sendAsync(resp)

}
这里会将Follower的心跳的响应继续发送给server。server会在leaderLoop中处理该类消息：
func (s *server) leaderLoop() {
logIndex, _ := s.log.lastInfo()
…
// Begin to collect response from followers
for s.State() == Leader {
select {
case e := <-s.c:
switch req := e.target.(type) {
case Command:
s.processCommand(req, e)
continue
case *AppendEntriesRequest:
e.returnValue, _ = s.processAppendEntriesRequest(req)
case *AppendEntriesResponse:
s.processAppendEntriesResponse(req)
case *RequestVoteRequest:
e.returnValue, _ = s.processRequestVoteRequest(req)
}

// Callback to event. e.c <- err } } s.syncedPeer = nil

}
处理Follower的响应在函数processAppendEntriesResponse中：
func (s *server) processAppendEntriesResponse(resp *AppendEntriesResponse) {
// If we find a higher term then change to a follower and exit.
if resp.Term() > s.Term() {
s.updateCurrentTerm(resp.Term(), “”)
return
}

// panic response if it's not successful. if !resp.Success() { return }// if one peer successfully append a log from the leader term, // we add it to the synced list if resp.append == true { s.syncedPeer[resp.peer] = true }if len(s.syncedPeer) < s.QuorumSize() { return } // Determine the committed index that a majority has. var indices []uint64 indices = append(indices, s.log.currentIndex()) for _, peer := range s.peers { indices = append(indices, peer.getPrevLogIndex()) } sort.Sort(sort.Reverse(uint64Slice(indices)))commitIndex := indices[s.QuorumSize()-1] committedIndex := s.log.commitIndexif commitIndex > committedIndex { s.log.sync() s.log.setCommitIndex(commitIndex) }

}
这里会判断如果多数的Follower都已经同步日志了，那么就可以检查所有的Follower此时的日志点，并根据log index排序，leader会算出这些Follower的提交点，然后提交，调用setCommitIndex。
// Updates the commit index and writes entries after that index to the stable storage.
func (l *Log) setCommitIndex(index uint64) error {
l.mutex.Lock()
defer l.mutex.Unlock()

// this is not error any more after limited the number of sending entries // commit up to what we already have if index > l.startIndex+uint64(len(l.entries)) { index = l.startIndex + uint64(len(l.entries)) } if index < l.commitIndex { return nil }for i := l.commitIndex + 1; i <= index; i++ { entryIndex := i - 1 - l.startIndex entry := l.entries[entryIndex]l.commitIndex = entry.Index()// Decode the command. command, err := newCommand(entry.CommandName(), entry.Command()) if err != nil { return err } returnValue, err := l.ApplyFunc(entry, command) if entry.event != nil { entry.event.returnValue = https://www.it610.com/article/returnValue entry.event.c <- err } _, isJoinCommand := command.(JoinCommand) if isJoinCommand { return nil } } return nil

}
这里的提交主要是设置好commitIndex，并且将日志项中的Command应用到状态机。最后，判断这个LogEntry是不是由客户直接发起的，如果是，那么还需要将状态机的处理结果通过event.c返回给客户端，这样，客户端就可以返回了，请回顾上面的客户端请求。
选主
在Raft协议运行过程中，Leader节点会周期性的给Follower发送心跳，心跳的作用有二：一方面，Follower通过心跳确认Leader此时还是活着的；第二，Leader通过心跳将自身的日志同步发送给Follower。
但是，如果Follower在超过一定时间后没有收到Leader的心跳信息，就认定Leader可能离线，于是，该Follower就会变成Candidate，发起一次选主，通知其他节点开始为我投票。
func (s *server) followerLoop() {
since := time.Now()
electionTimeout := s.ElectionTimeout()
timeoutChan := afterBetween(s.ElectionTimeout(), s.ElectionTimeout()*2)

for s.State() == Follower { var err error update := false select { ...... // 超过一定时间未收到请求 case <-timeoutChan: if s.promotable() { // 状态变为Candidate s.setState(Candidate) } else { update = true } } } ......

}
// The main event loop for the server
func (s *server) loop() {
defer s.debugln(“server.loop.end”)

state := s.State()for state != Stopped { switch state { case Follower: s.followerLoop() // 状态变为Candidate后，进入candidateLoop case Candidate: s.candidateLoop() case Leader: s.leaderLoop() case Snapshotting: s.snapshotLoop() } state = s.State() }

}
当节点状态由Follower变为Candidate后，就会进入candidateLoop来触发一次选主过程。
func (s *server) candidateLoop() {
for s.State() == Candidate {
if doVote {
s.currentTerm++
s.votedFor = s.name
// 向所有其他节点发起Vote请求
respChan = make(chan *RequestVoteResponse, len(s.peers))
for _, peer := range s.peers {
s.routineGroup.Add(1)
go func(peer *Peer) {
defer s.routineGroup.Done()

peer.sendVoteRequest(newRequestVoteRequest(s.currentTerm, s.name, lastLogIndex, lastLogTerm), respChan) }(peer) } // 自己给自己投一票 votesGranted = 1 timeoutChan = afterBetween(s.ElectionTimeout(), s.ElectionTimeout()*2) doVote = false } // 如果多数节点同意我作为Leader，设置新状态 if votesGranted == s.QuorumSize() { s.setState(Leader) return }// 等待其他节点的选主请求的响应 select { case <-s.stopped: s.setState(Stopped) returncase resp := <-respChan: if success := s.processVoteResponse(resp); success { votesGranted++ } ...... case <-timeoutChan: // 如果再一次超时了，重新发起选主请求 doVote = true }

}
别看上面的代码很多，但是其中逻辑非常清楚。就不作过多说明了。
上面描述了一个Follower节点变为Candidate后，如何发起一次选主，接下来看看一个节点在收到其他节点发起的选主请求后的处理，在函数processRequestVoteRequest()：
// Processes a “request vote” request.
func (s *server) processRequestVoteRequest(req *RequestVoteRequest) (*RequestVoteResponse, bool)
{
if req.Term < s.Term() {
return newRequestVoteResponse(s.currentTerm, false), false
}
if req.Term > s.Term() {
s.updateCurrentTerm(req.Term, “”)
} else if s.votedFor != “” && s.votedFor != req.CandidateName {
return newRequestVoteResponse(s.currentTerm, false), false
}

lastIndex, lastTerm := s.log.lastInfo() if lastIndex > req.LastLogIndex || lastTerm > req.LastLogTerm { return newRequestVoteResponse(s.currentTerm, false), false } s.votedFor = req.CandidateName return newRequestVoteResponse(s.currentTerm, true), true

}
接受一个远程节点的选主请求需要满足以下条件：
远程节点的term必须要大于等于当前节点的term；
远程节点的log必须比当前节点的更新；
当前节点的term和远程节点的选主请求的term如果一样且当前节点未给任何其他节点投出自己的选票。
整个流程其实也是蛮简单的。
节点变更
在Raft协议中，节点的变更也是作为一个客户的命令通过一致性协议统一管理：也就是说，节点变更命令被写入Leader的日志，然后再由Leader同步到Follower，最后如果多数Follower成功写入该日志，主节点提交该日志。
在Go-Raft中，存在两种节点变更命令：DefaultJoinCommand和DefaultLeaveCommand，对于这两种命令的处理关键在于这两个命令的Apply方法，如下：
func (c *DefaultJoinCommand) Apply(server Server) (interface{}, error) {
err := server.AddPeer(c.Name, c.ConnectionString)
return []byte(“join”), err
}
func (c *DefaultLeaveCommand) Apply(server Server) (interface{}, error) {
err := server.RemovePeer(c.Name)
return []byte(“leave”), err
}
增加节点最终的提交方法是AddPeer:
func (s *server) AddPeer(name string, connectiongString string) error {
if s.peers[name] != nil {
return nil
}

if s.name != name { peer := newPeer(s, name, connectiongString, s.heartbeatInterval) // 如果是主上新增一个peer，那还需要启动后台协程发送 if s.State() == Leader { peer.startHeartbeat() } s.peers[peer.Name] = peer s.DispatchEvent(newEvent(AddPeerEventType, name, nil)) } // Write the configuration to file. s.writeConf() return nil

}
// Removes a peer from the server.
func (s *server) RemovePeer(name string) error {
// Skip the Peer if it has the same name as the Server
if name != s.Name() {
// Return error if peer doesn’t exist.
peer := s.peers[name]
if peer == nil {
return fmt.Errorf(“raft: Peer not found: %s”, name)
}
// 如果是Leader，停止给移除节点的心跳协程
if s.State() == Leader {
s.routineGroup.Add(1)
go func() {
defer s.routineGroup.Done()
peer.stopHeartbeat(true)
}()
}
delete(s.peers, name)
s.DispatchEvent(newEvent(RemovePeerEventType, name, nil))
}
// Write the configuration to file.
s.writeConf()
return nil
}
Snapshot
根据Raft论文描述，随着系统运行，存储命令的日志文件会一直增长，为了避免这种情况，论文中引入了Snapshot。Snapshot的出发点很简单：淘汰掉那些无用的日志项，那么问题就来了：
哪些日志项是无用的，可以丢弃？
如何丢弃无用日志项？
接下来我们各个击破：
如果某个日志项中存储的用户命令(Command)已经被提交到状态机中，那么它就被视为无用的，可以被清理；
因为日志的提交是按照index顺序执行的，因此，只要知道当前副本的提交点(commit index)，那么在此之前的所有日志项必然也已经被提交了，因此，这个提交点之前（包括该提交点）的日志都可以被删除。实现上，只要将提交点之后的日志写入新的日志文件，再删除老的日志文件，就大功告成了；
最后需要注意的一点是：在回收日志文件之前，必须要对当前的系统状态机进行保存，否则，状态机数据丢失以后，又删了日志，状态真的就无法恢复了。
goraft的Snapshot是由应用主动触发的，调用其内部函数TakeSnapshot：
func (s *server) TakeSnapshot() error {
…
lastIndex, lastTerm := s.log.commitInfo()
…
path := s.SnapshotPath(lastIndex, lastTerm)
s.pendingSnapshot = &Snapshot{lastIndex, lastTerm, nil, nil, path}
// 首先应用保存状态机当前状态
state, err := s.stateMachine.Save()
if err != nil {
return err
}

// 准备Snapshot状态：包括当前日志的index，当前peer等 peers := make([]*Peer, 0, len(s.peers)+1) for _, peer := range s.peers { peers = append(peers, peer.clone()) } s.pendingSnapshot.Peers = peers s.pendingSnapshot.State = state s.saveSnapshot()// 最后，回收日志项:s.log.compact() if lastIndex-s.log.startIndex > NumberOfLogEntriesAfterSnapshot { compactIndex := lastIndex - NumberOfLogEntriesAfterSnapshot compactTerm := s.log.getEntry(compactIndex).Term() s.log.compact(compactIndex, compactTerm) } return nil

【go-raft实现】}
关于compact()函数就不作仔细描述了，有兴趣的朋友可以自行阅读，非常简单的。