MIT6.824-Raft

这个寒假可算把搁置许久的Lab02给做完了。之前一直被卡在Test 2B的一个case里，寒假时候重新看看大佬们的实现思路，可算是完成了所有内容，于是简单记录一下。

算法简介

共识算法的基础是复制状态机，即按照相同顺序执行相同的确定性指令最终必然达到一致状态。Raft是一种代替Paxos的分布式共识算法，相比Paxos更利于学习与理解。

Raft算法核心内容可以分为三个部分： $Leader Election + Log Replication + Satety$ 。

集群机器初始为Follower，一旦一定时间内未接收到来自Leader的心跳，机器将成为Candidate并触发选举，请求剩下Follower投票。获得半数以上选票的Candidate成为Leader。

Raft是一种强领导人的强一致性的分布式共识算法，它使用Term作为逻辑时钟，一个任期中只能有领导人。领导人需要周期性发送心跳以维护其地位，同时需要处理复制提交日志。

复制日志时，Leader首先将日志复制到其他Follower上，直到半数以上的Follower成功复制，Leader才会提交此日志。

安全性主要有五个部分，与实现相关的最核心的内容我认为有两个。一个是领导人只追加原则，不允许修改已提交的日志；另一个是选举安全性，避免脑裂问题，同时保证新Leader拥有比较新的日志。

剩下的其他内容请参考论文原文。

实现思路

实现的思路大体上是参考了一篇大佬的博文（见参考），算法的细节很多也在原Paper的Figure2中，故而以下只讲一下实现各个功能时需要注意的地方。

领导人选举

发起选举+选举结果处理

发起选举是会开启多个goroutine后台发送RPC请求到其他结点，所以处理RPC response的时候需要确定当前结点为Candidate，以及请求未过期，即rf.state == Candidate && req.Term == rf.currentTerm。选举成功需要立即发送心跳，通知其他结点选举结果。

如果发现失败的Responseresp.Term > rf.currentTerm,此时需要切换到Follower状态，更新任期，并重置投票信息。

实际上一旦更新了任期，就需要重置投票信息。如果不重置votedFor信息，会有一些测试通过不了

请求投票RPC

前置逻辑过滤过期req.Term < rf.currentTerm以及当前任期的重复投票请求。之后再按照算法描述的逻辑处理，注意如果成功投票，需要重置选举计时器。

在 grant 投票时才重置选举超时时间，这样有助于网络不稳定条件下选主的 liveness 问题

状态切换

注意在切换角色时处理不同的计时器状态(stop or reset)，切换到Leader时需要重置matchIndex以及nextIndex的值。

日志复制

Raft算法的核心，需要注意的地方最多。

我的实现是使用多个replicator和applier线程异步复制和apply的方式。

日志复制RPC

前置逻辑过滤掉req.Term < rf.currentTerm过期的请求。之后处理日志不一致以及日志被压缩以及重复日志的情况，之后复制日志再处理commitIndex。

发起日志复制+请求结果处理

发起日志复制需要判断是直接复制日志或者发送快照。

请求结果处理重点是如何处理matchIndex和nextIndex以及commitIndex。

matchIndex用来记录其他节点成功复制的最新日志，nextIndex是记录发送给其他节点的下一个日志。commitIndex通过排序matchIndex来更新。再决定是否需要触发applier更新appliedIndex。

请求失败则可以回退nextIndex或者切换到Follower状态。

异步Apply

实际上就是一个后台goroutine，通过条件变量控制，使用Channel通信。每次触发会把log[lastApplied:commitIndex]发送给上层，并更新appliedIndex。

持久化

在需要持久化状态的属性更新时及时的刷盘。

安装快照

主要就是Leader触发的Snapshot以及RPC。应用Snapshot的时候需要先判断其新旧以及更新log[0]和appliedIndex以及commitIndex。

坑

Defer

首先是Golang的defer关键字。我比较喜欢在RPC开头使用defer关键字直接打印出结点的一些数据：defer Dprintf("%+v", raft.currentTerm)，这样在调用结束时能打印出log，但实际上，在运行到defer这一行的代码时，打印的内容已经固定。正确的使用方式应该是defer func(ID int) { Dprintf("%+v", id) }()