java经典算法实现_经典分布式算法 —— 浅显易懂的 Raft 算法实现

一、Raft概念

copy一下其他小伙伴写的文章： Raft算法详解

不同于Paxos算法直接从分布式一致性问题出发推导出来，Raft算法则是从多副本状态机的角度提出，用于管理多副本状态机的日志复制。Raft实现了和Paxos相同的功能，它将一致性分解为多个子问题：Leader选举(Leader election)、日志同步(Log replication)、安全性(Safety)、日志压缩(Log compaction)、成员变更(Membership change)等。同时，Raft算法使用了更强的假设来减少了需要考虑的状态，使之变的易于理解和实现。

Raft将系统中的角色分为领导者(Leader)、跟从者(Follower)和候选人(Candidate)：

Leader：接受客户端请求，并向Follower同步请求日志，当日志同步到大多数节点上后告诉Follower提交日志。

Follower：接受并持久化Leader同步的日志，在Leader告之日志可以提交之后，提交日志。

Candidate：Leader选举过程中的临时角色。

本文不过多赘述 raft 算法是个什么东西... 这里再贴一个十分好理解的文章：The Raft Consensus Algorithm

二、系统初步设计

在对raft有一定理解后，我们简单梳理一下在raft选举过程中，我们需要的一些角色，以及角色的司职。

首先我们需要一个选举控制类，单例实现即可，节点的选举全权交给此选举控制类的实现，我们称其为 ElectOperator。

先讲一个 raft 中重要的概念：世代，也称为 epoch，但在这篇文章，将其称为 generation(不要纠结这个 = =)。 世代可以认为是一个标记当前发送的操作是否有效的标识，如果收到了小于本节点世代的请求，则可无视其内容，如果收到了大于本世代的请求，则需要更新本节点世代，并重置自己的身份，变为 Follower，类似于乐观锁的设计理念。

我们知道，raft中一共有三种角色：Follower、Candidate、Leader

(1)Follower

Follower 需要做什么呢：

接收心跳

Follower 在 ELECTION_TIMEOUT_MS 时间内，若没有收到来自 Leader的心跳，则转变为 Candidate

接收拉票请求，并返回自己的投票

好的，Follower非常简单，只需要做三件事即可。

(2)Candidate

Candidate 扮演什么样的职能呢：

接收心跳

Candidate 在 ELECTION_TIMEOUT_MS 时间内，若没有收到来自 Leader的心跳，则转变为 Candidate

接收拉票请求，并返回自己的投票

向集群中的其他节点发起拉票请求

当收到的投票大于半数( n/2 + 1, n为集群内的节点数量)，转变为 Leader

Candidate 比起 Follower 稍微复杂一些，但前三件事情都是一样的。

(3)Leader

Leader 在选举过程中扮演的角色最为简单：

接收心跳

向集群内所有节点发送心跳

Leader 也是可以接收心跳的，当收到大于当前世代的心跳或请求后，Leader 需要转变为 Follower。Leader 不可能收到同世代的心跳请求，因为 (1) 在 raft 算法中，同一世代中，节点仅对同一个节点进行投票。(2) 需要收到过半投票才可以转变为 Leader。

三、系统初步实现

简单贴一下选举控制器需要的一些属性代码，下面的注释都说的很清楚了，其中需要补充的一点是定时任务使用了时间轮来实现，不理解没有关系...就是个定时任务，定时任务的一个引用放在 Map taskMap; 中，便于取消任务。

public class ElectOperator extends ReentrantLocker implements Runnable {

// 成为 Candidate 的退避时间(真实退避时间需要 randomized to be between 150ms and 300ms )

private static final long ELECTION_TIMEOUT_MS = ElectConfigHelper.getElectionTimeoutMs();

// 心跳间隔

private static final long HEART_BEAT_MS = ElectConfigHelper.getHeartBeatMs();

/**

* 该投票箱的世代信息，如果一直进行选举，一直能达到 {@link #ELECTION_TIMEOUT_MS}，而选不出 Leader ，也需要15年，generation才会不够用，如果

* generation 的初始值设置为 Long.Min (现在是0，则可以撑30年，所以完全呆胶布)

*/

private long generation;

/**

* 当前节点的角色

*/

private NodeRole nodeRole;

/**

* 所有正在跑的定时任务

*/

private Map taskMap;

/**

* 投票箱

*/

private Map box;

/**

* 投票给了谁的投票记录

*/

private Votes voteRecord;

/**

* 缓存一份集群信息，因为集群信息是可能变化的，我们要保证在一次选举中，集群信息是不变的

*/

private List clusters;

/**

* 心跳内容

*/

private HeartBeat heartBeat;

/**

* 现在集群的leader是哪个节点

*/

private String leaderServerName;

private volatile static ElectOperator INSTANCE;

public static ElectOperator getInstance() {

if (INSTANCE == null) {

synchronized (ElectOperator.class) {

if (INSTANCE == null) {

INSTANCE = new ElectOperator();

ElectControllerPool.execute(INSTANCE);

}

}

}

return INSTANCE;

}

另外，上面罗列的这些值大都是需要在更新世代时重置的，我们先拟定一下更新世代的逻辑，通用的来讲，就是清除投票记录，清除自己的投票箱，更新自己的世代，身份变更为 Follower 等等，我们将这个方法称为 init。

/**

* 初始化

*

* 1、成为follower

* 2、先取消所有的定时任务

* 3、重置本地变量

* 4、新增成为Candidate的定时任务

*/

private boolean init(long generation, String reason) {

return this.lockSupplier(() -> {

if (generation > this.generation) {// 如果有选票的世代已经大于当前世代，那么重置投票箱

logger.debug("初始化投票箱，原因：{}", reason);

// 1、成为follower

this.becomeFollower();

// 2、先取消所有的定时任务

this.cancelAllTask();

// 3、重置本地变量

logger.debug("更新世代：旧世代 {} => 新世代 {}", this.generation, generation);

this.generation = generation;

this.voteRecord = null;

this.box = new HashMap<>();

this.leaderServerName = null;

// 4、新增成为Candidate的定时任务

this.becomeCandidateAndBeginElectTask(this.generation);

return true;

} else {

return false;

}

});

}

(1) Follower的实现

基于上面的分析，我们可以归纳一下 Follower 需要一些什么样的方法：

1、转变为 Candidate 的定时任务

实际上就是 ELECTION_TIMEOUT_MS (randomized to be between 150ms and 300ms) 后，如果没收到 Leader 的心跳，或者自己变为 Candidate 后，在这个时间内没有成功上位，则继续转变为 Candidate。

为什么我们成为 Candidate 的退避时间需要随机 150ms - 300ms呢？这是为了避免所有节点的选举发起发生碰撞，如果说都是相同的退避时间，每个节点又会优先投自己一票，那么这个集群系统就会陷入无限发起投票，但又无法成为 Leader 的局面。

简而言之就是我们需要提供一个可刷新的定时任务，如果在一定时间内没刷新这个任务，则节点转变为 Candidate，并发起选举，代码如下。首先取消之前的 becomeCandidate 定时定时任务，然后设定在 electionTimeout 后调用 beginElect(generation) 方法。

/**

* 成为候选者的任务，(重复调用则会取消之前的任务，收到来自leader的心跳包，就可以重置一下这个任务)

*

* 没加锁，因为这个任务需要频繁被调用，只要收到leader来的消息就可以调用一下

*/

private void becomeCandidateAndBeginElectTask(long generation) {

this.lockSupplier(() -> {

this.cancelCandidateAndBeginElectTask("正在重置发起下一轮选举的退避时间");

// The election timeout is randomized to be between 150ms and 300ms.

long electionTimeout = ELECTION_TIMEOUT_MS + (int) (ELECTION_TIMEOUT_MS * RANDOM.nextFloat());

TimedTask timedTask = new TimedTask(electionTimeout, () -> this.beginElect(generation));

Timer.getInstance()

.addTask(timedTask);

taskMap.put(TaskEnum.BECOME_CANDIDATE, timedTask);

return null;

});

}

2、接收心跳与心跳回复

接收心跳十分简单，如果当前心跳大于等于当前世代，且还未认定某个节点为 Leader，则取消所有定时任务，成为Follower，并记录心跳包中 Leader 节点的信息，最后重置一下成为候选者的任务。

如果已经成为某个 Leader 的 Follower，则直接成为候选者的任务即可。

另外一个要注意的是，needToSendHeartBeatInfection，是否需要发送心跳感染包，当收到低世代 Leader 的心跳时，如果当前集群已经选出 Leader ，则回复此心跳包，告诉旧 Leader，现在已经是新世代了！(代码中没有展现，其实就是再次封装一个心跳包，带上世代信息和 Leader 节点信息，回复给 Leader 即可)

public void receiveHeatBeat(String leaderServerName, long generation, String msg) {

return this.lockSupplier(() -> {

boolean needToSendHeartBeatInfection = true;

// 世代大于当前世代

if (generation >= this.generation) {

needToSendHeartBeatInfection = false;

if (this.leaderServerName == null) {

logger.info("集群中，节点 {} 已经成功在世代 {} 上位成为 Leader，本节点将成为 Follower，直到与 Leader 的网络通讯出现问题", leaderServerName, generation);

// 取消所有任务

this.cancelAllTask();

// 成为follower

this.becomeFollower();

// 将那个节点设为leader节点

this.leaderServerName = leaderServerName;

}

// 重置成为候选者任务

this.becomeCandidateAndBeginElectTask(this.generation);

}

return null;

});

}

3、接收拉票请求与回复投票

我们知道，raft 在一个世代只能投票给一个节点，且发起投票者会首先投票给自己。所以逻辑就很简单了，只有当世代大于等于当前，且还未投票时，则拉票请求成功，返回true即可，否则都视为失败，返回false。

/**

* 某个节点来请求本节点给他投票了，只有当世代大于当前世代，才有投票一说，其他情况都是失败的

*

* 返回结果

*

* 为true代表接受投票成功。

* 为false代表已经给其他节点投过票了，

*/

public VotesResponse receiveVotes(Votes votes) {

return this.lockSupplier(() -> {

logger.debug("收到节点 {} 的投票请求，其世代为 {}", votes.getServerName(), votes.getGeneration());

String cause = "";

if (votes.getGeneration() < this.generation) {

cause = String.format("投票请求 %s 世代小于当前世代 %s", votes.getGeneration(), this.generation);

} else if (this.voteRecord != null) {

cause = String.format("在世代 %s，本节点已投票给 => %s 节点", this.generation, this.voteRecord.getServerName());

} else {

this.voteRecord = votes; // 代表投票成功了

}

boolean result = votes.equals(this.voteRecord);

if (result) {

logger.debug("投票记录更新成功：在世代 {}，本节点投票给 => {} 节点", this.generation, this.voteRecord.getServerName());

} else {

logger.debug("投票记录更新失败：原因：{}", cause);

}

String serverName = InetSocketAddressConfigHelper.getServerName();

return new VotesResponse(this.generation, serverName, result, serverName.equals(this.leaderServerName), votes.getGeneration());

});

}

(2) Candidate的实现

可以看出 Follower 十分简单， Candidate 在 Follower 的基础上增加了发起选举的拉票请求，与接收投票，并上位成为Leader两个功能，实际上也十分简单。

1、发起拉票请求

回顾一下前面的转变成 Candidate 的定时任务，定时任务实际上就是调用一个方法

TimedTask timedTask = new TimedTask(electionTimeout, () -> this.beginElect(generation));

这个 beginElect 就是转变为 Candidate 并发起选举的实现。让我们先想想需要做什么，首先肯定是

更新一下自己的世代，因为已经长时间没收到 Leader 的心跳包了，我们需要自立门户。

给自己投一票

要求其他节点给自己投票

分析到这里就很明了了。下面首先执行 updateGeneration 方法，实际上就是执行前面所说的 init 方法，传入 generation + 1 的世代，重置一下上个世代各种保存的状态；然后调用 becomeCandidate，实际上就是切换一下身份，将 Follower 或者 Candidate 切换为 Candidate；给自己的 voteRecord 投一票，最后带上自己的节点标识和世代信息，去拉票。

/**

* 开始进行选举

*

* 1、首先更新一下世代信息，重置投票箱和投票记录

* 2、成为候选者

* 3、给自己投一票

* 4、请求其他节点，要求其他节点给自己投票

*/

private void beginElect(long generation) {

this.lockSupplier(() -> {

if (this.generation != generation) {// 存在这么一种情况，虽然取消了选举任务，但是选举任务还是被执行了，所以这里要多做一重处理，避免上个周期的任务被执行

return null;

}

logger.info("Election Timeout 到期，可能期间内未收到来自 Leader 的心跳包或上一轮选举没有在期间内选出 Leader，故本节点即将发起选举");

updateGeneration("本节点发起了选举");// this.generation ++

// 成为候选者

logger.info("本节点正式开始世代 {} 的选举", this.generation);

if (this.becomeCandidate()) {

VotesResponse votes = new VotesResponse(this.generation, InetSocketAddressConfigHelper.getServerName(), true, false, this.generation);

// 给自己投票箱投票

this.receiveVotesResponse(votes);

// 记录一下，自己给自己投了票

this.voteRecord = votes;

// 让其他节点给自己投一票

this.askForVoteTask(new Votes(this.generation, InetSocketAddressConfigHelper.getServerName()), 0);

}

return null;

});

}

2、接收投票，并成为 Leader

如果说在 150ms and 300ms 之间，本节点收到了过半投票，则可上位成 Leader，否则定时任务会再次调用 beginElect，再次更新本节点世代，然后发起新一轮选举。

接收投票其实十分简单，回忆一下前面接收拉票请求与回复投票，实际上就是拉票成功，就返回true，否则返回flase。

我们每次都判断一下是否拿到过半的票数，如果拿到，则成为 Leader，另外有一个值得注意的是，为了加快集群恢复可用的进程，类似于心跳感染(如果心跳发到Leader那里去了，Leader会告诉本节点，它才是真正的Leader)，投票也存在投票感染，下面的代码由 votesResponse.isFromLeaderNode() 来表示。

投票的记录也是十分简单，就是把每个投票记录扔到 Map box; 里，true 表示同意投给本节点，flase 则不同意，如果同意达到半数以上，则调用 becomeLeader 成为本世代 Leader。

/**

* 给当前节点的投票箱投票

*/

public void receiveVotesResponse(VotesResponse votesResponse) {

this.lockSupplier(() -> {

if (votesResponse.isFromLeaderNode()) {

logger.info("来自节点 {} 的投票应答表明其身份为 Leader，本轮拉票结束。", votesResponse.getServerName());

this.receiveHeatBeat(votesResponse.getServerName(), votesResponse.getGeneration(),

String.format("收到来自 Leader 节点的投票应答，自动将其视为来自 Leader %s 世代 %s 节点的心跳包", heartBeat.getServerName(), votesResponse.getGeneration()));

}

if (this.generation > votesResponse.getAskVoteGeneration()) {// 如果选票的世代小于当前世代，投票无效

logger.info("来自节点 {} 的投票应答世代是以前世代 {} 的选票，选票无效", votesResponse.getServerName(), votesResponse.getAskVoteGeneration());

return null;

}

if (votesResponse.isAgreed()) {

if (!voteSelf) {

logger.info("来自节点 {} 的投票应答有效，投票箱 + 1", votesResponse.getServerName());

}

// 记录一下投票结果

box.put(votesResponse.getServerName(), votesResponse.isAgreed());

List hanabiNodeList = this.clusters;

int clusterSize = hanabiNodeList.size();

int votesNeed = clusterSize / 2 + 1;

long voteCount = box.values()

.stream()

.filter(aBoolean -> aBoolean)

.count();

logger.info("集群中共 {} 个节点，本节点当前投票箱进度 {}/{}", hanabiNodeList.size(), voteCount, votesNeed);

// 如果获得的选票已经大于了集群数量的一半以上，则成为leader

if (voteCount == votesNeed) {

logger.info("选票过半，准备上位成为 leader 节点", votesResponse.getServerName());

this.becomeLeader();

}

} else {

logger.info("节点 {} 在世代 {} 的投票应答为：拒绝给本节点在世代 {} 的选举投票(当前世代 {})", votesResponse.getServerName(), votesResponse.getGeneration(), votesResponse.getAskVoteGeneration(), this.generation);

// 记录一下投票结果

box.put(votesResponse.getServerName(), votesResponse.isAgreed());

}

return null;

});

}

(3) Leader 的实现

作为 Leader，在 raft 中的实现却是最简单的，我们只需要给子节点发心跳包即可。然后如果收到大于自己世代的心跳感染，则成为新世代的 Follower，接收心跳的逻辑和 Follower 没有区别。

/**

* 当选票大于一半以上时调用这个方法，如何去成为一个leader

*/

private void becomeLeader() {

this.lockSupplier(() -> {

long becomeLeaderCostTime = TimeUtil.getTime() - this.beginElectTime;

this.beginElectTime = 0L;

logger.info("本节点 {} 在世代 {} 角色由 {} 变更为 {} 选举耗时 {} ms，并开始向其他节点发送心跳包 ......", InetSocketAddressConfigHelper.getServerName(), this.generation, this.nodeRole.name(), NodeRole.Leader.name(),

becomeLeaderCostTime);

this.nodeRole = NodeRole.Leader;

this.cancelAllTask();

this.heartBeatTask();

this.leaderServerName = InetSocketAddressConfigHelper.getServerName();

return null;

});

}

四、运行我们的 raft！

看到这里，不用怀疑.. 一个 raft 算法已经实现了。至于一些细枝末节的东西，我相信大家都能处理好的.. 比如如何给其他节点发送各种包，包怎么去定义之类的，都和 raft 本身没什么关系。

一般来说，在集群可用后，我们就可以让 Follower 连接 Leader 的业务端口，开始真正的业务了。 raft作为一个能快速选主的分布式算法，一次选主基本只需要一次 RTT(Round-Trip Time)时间即可，非常迅速。

运行一下我们的项目，简单测试，我们只用三台机子，想测试多台机子可以自己去玩玩...我们可以看到就像 zookeeper，我们需要配置两个端口，前一个作为选举端口，后一个则作为业务端口。

本文章只讲了怎么选举，后面的端口可以无视，但是必填...

依次启动 hanabi.1，hanabi.2，hanabi.3

很快，我们就能看到 hanabi.1 成为了世代28的 Leader，第一次选举耗时久是因为启动的时候有各种初始化 = =

此时，我们关闭 hanabi.1，因为集群还有2台机器，它们之间完全可以选出新的 Leader，我们关闭 hanabi.1 试试。观察 hanabi.3，我们发现，很快，hanabi.3 就发现 Leader 已经挂掉，并发起了世代 29 的选举。

在世代29中，仅存的 hanabi.2 拒绝为本节点投票，所以在 ELECTION_TIMEOUT_MS 到期后，hanabi.3 再次发起了选举，此次选举成功，因为 hanabi.2 还未到达 ELECTION_TIMEOUT_MS，所以还在世代 28，收到了世代 29 的拉票请求后，hanabi.2 节点将自己的票投给了 hanabi.3，hanabi.3 成功上位。

本项目github地址 ： 基于raft算法实现的分布式kv存储框架 (项目实际上还有日志写入，日志提交，日志同步等功能，直接无视它...还没写完 = =)