raft mit 6.824 实现领导者选举(LAB2A)

1.程序结构

lab2的实验是要实现以下接口

// create a new Raft server instance:
rf := Make(peers, me, persister, applyCh)

// start agreement on a new log entry:
rf.Start(command interface{}) (index, term, isleader)

// ask a Raft for its current term, and whether it thinks it is leader
rf.GetState() (term, isLeader)

// each time a new entry is committed to the log, each Raft peer
// should send an ApplyMsg to the service (or tester).
type ApplyMsg

其中参数在注释中基本都有解释。
Make 用来创建点对点server ,peers是所有的server,len(peers)也就是所有的server数量,me就是当前的server,也就是在peers中的下标。persister和applyCh 以及Start函数在2A实验中没有用上。

做实验前强烈建议多读几遍raft论文。
助教的student guide 也很重要:

student guide

FAQ

locking and structure

2.常见问题

  1. 什么时候需要重置超时选举时间?在 studen guide中写到有3种情况需要重置超时时间:
    a) 从当前的leader 中收到 AppendEntries  ,收到过期的不需要重置
    b) 开始一轮选举的时候,当然本轮没有选举结果开始下一轮的时候也应该重置
    c) 当你给其他节点投票的时候
  2. 什么时候重置votefFor?
    当term改变的时候重置votedfor,例如投票的时候收到了term更高,那么不管此刻是否投票过,都应该转变为follower并且重置votedfor;当leader掉线一段时间重连回来,此刻群组有新leader,那么old leader应该转变为follower并且重置votedfor。
  3. 在做RPC请求的时候不应该加锁。例如:
    rf.mu.Lock()
    rf. sendRequestVote(...)
    rf.mu.UnLock()
    这种写法是不合逻辑的,容易造成死锁,我们仅需对共享资源加锁就足够了,比如这里对参数构造加锁。
  4. server 成为leader之后不需要进行 选举超时倒计时。

3.实现 给出部分代码,仅供参考

3.1 流程

  1. 首先 raft 启动,在Make 中做初始化,一开始所有的server都是follower,并且每个server会随机分配一个选举超时时间,同时所有的server都有相同的心跳间隔时间。那么由于涉及到角色转换,我们最好为每一种角色写一个转换函数,convertToFollower,convertToCandidate,convertToLeader。
  • 什么时候会转变到follower呢?不外乎在心跳,投票或者appendEntries的时候收到了更加新的server的信息,这时候需要转变到follower的同时更新自己的Term
  • 转变到candidate只有一种,当选举超时内没有收到心跳或者appendEntries,那么超时之后主动变成candidate
  • 转变到leader,只有在candidate收到大多数请求的时候,竞选成功,成为leader
func (rf* Raft) convertToCandidate(){
    rf.raftStatus = Candidate
    rf.currentTerm++
    rf.votedFor = rf.me
    rf.nonLeaderCond.Signal() // awake electionTimeoutTick

}

func (rf* Raft) convertToFollower(newTerm int){
    rf.raftStatus = Follower
    rf.currentTerm = newTerm
    rf.votedFor = -1
    rf.nonLeaderCond.Signal() // awake electionTimeoutTick

}

func (rf* Raft) convertToLeader(){
    rf.raftStatus = Leader

}

初始化的时候,为了防止瓜分选票的情况发生,需要随机设置不同的超时时间,论文建议是150-300ms ,建议写个函数,用时间戳做随机种子,论文建议每次生成不同的超时时间。

func (rf *Raft) getRandElecTime() int {
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    electionTimeout := rand.Intn(150) + 150 // [150,300)
    return electionTimeout
}
func (rf* Raft) resetElectionTimer()  {
    rf.lastHeartbeatTime = time.Now().UnixNano()
    rf.electionTimeout = rf.getRandElecTime()
}

根据论文解析,我们需要长时间运行的gorutinue (可以简单理解为死循环)来处理事件和统计选举超时。

func (rf *Raft) EventLoop() () {
    for{
        rf.mu.Lock()
        if rf.killed(){
            rf.mu.Unlock()
            return
        }
        rf.mu.Unlock()
        select {
        case <- rf.electionTimeoutChan:
            rf.mu.Lock()
            DPrintf("[EventLoop]: Id %d Term %d State %s \t || \t election timeout , start an eletion\n",
                rf.me, rf.currentTerm, state2name(rf.raftStatus))
            rf.mu.Unlock()
            // start election, if election timeout
            go rf.startElection()

        case <-rf.heartbeatPeriodChan:
            DPrintf("[EventLoop]: Id %d Term %d State %s \t || \t election timeout , start to send heartbeat\n",
                rf.me, rf.currentTerm, state2name(rf.raftStatus))
            go rf.broadcastHeartbeat()
        }
    }
}

func (rf *Raft) electionTimeoutTick()  {
    for {
        rf.mu.Lock()
        _, isLeader := rf.GetState()
        if rf.killed(){
            rf.mu.Unlock()
            return
        }
        rf.mu.Unlock()
        if isLeader {
            // if is leader , no need to check election timeout
            rf.nonLeaderCond.L.Lock()
            rf.nonLeaderCond.Wait()
            rf.nonLeaderCond.L.Unlock()
        }else { // follower and candidate
            rf.mu.Lock()
            elapseTime := time.Now().UnixNano() - rf.lastHeartbeatTime
            if elapseTime/int64(time.Millisecond) > int64(rf.electionTimeout){
                DPrintf("[electionTimeoutTick]: Id %d Term %d State %s\t || \ttimeout,"+
                    "convert to candidate\n" , rf.me, rf.currentTerm ,state2name(rf.raftStatus))
                DPrintf("[electionTimeoutTick] : %d %d\n",elapseTime/int64(time.Millisecond),int64(rf.electionTimeout))
                rf.electionTimeoutChan <- true
            }
            rf.mu.Unlock()
            time.Sleep(time.Millisecond*10)
        }
    }
}

实验部分要求心跳不超过10次/s,也就是不小于100ms/次,而心跳时间间隔应该小于选举超时时间,因此设置为100到150ms之间。

func (rf* Raft) broadcastHeartbeat()  {
    for {
        rf.mu.Lock()
        _,isLeader := rf.GetState()
        if rf.killed(){
            rf.mu.Unlock()
            return
        }
        rf.mu.Unlock()

        if !isLeader {
            // not leader , then return
            return
        }

        // send heart beat
        for i,_ := range rf.peers{
            if i == rf.me{
                continue
            }
            rf.mu.Lock()
            //prevLogIndex := len(rf.log)-1
            prevLogIndex,PrevLogTerm :=rf.getLastLogInfo()
            args := AppendEntriesArgs{Term: rf.currentTerm,LeaderId: rf.me,PrevLogIndex: prevLogIndex,
                PrevLogTerm: PrevLogTerm, LeaderCommit: rf.commitIndex}
            var reply AppendEntriesReply
            rf.mu.Unlock()
            go func(index int, args *AppendEntriesArgs, reply* AppendEntriesReply) {
                ok := rf.sendAppendEntries(index,args,reply)
                rf.mu.Lock()
                defer rf.mu.Unlock()
                if ok == false{
                    // send heartbeat failed
                    //DPrintf("[broadcastHeartbeat]: %d send to peer's id %d failed term %d\n",args.LeaderId,index,reply.Term)

                }else {
                    //DPrintf("[broadcastHeartbeat]: Id %d Term %d State %s\t || \ttimeout,"+
                    //    "send heartbeat to %d success\n" , rf.me, rf.currentTerm ,state2name(rf.raftStatus),index)

                    if reply.Term > rf.currentTerm{
                        //
                        DPrintf("[broadcastHeartbeat]: Id %d Term %d State %s\t || \ttimeout,"+
                            "send heartbeat failed, reply term %d\n" , rf.me, rf.currentTerm ,state2name(rf.raftStatus),reply.Term)
                        rf.convertToFollower(reply.Term)

                    }else if reply.Term == rf.currentTerm && reply.Success == false{
                        // follower's log index and log term not match

                    }else {
                        //
                    }

                }
                // check reply


            }(i,&args,&reply)
        }

        // sleep
        time.Sleep(time.Duration(rf.heartbeatInterval)*time.Millisecond)
    }

}
  1. 开始选举。当某一台server 的选举超时计时先倒数完,这台server按照规则,先给变成candidate,term加一,给自己投票,重置选举超时计时器,然后让其他server投票。只要超过半数,那么就当选leader,开始给其余节点发心跳。
func (rf* Raft) startElection()  {
    rf.mu.Lock()
    rf.convertToCandidate()
    nVotes := 1 // has voted in the term
    // 3.reset election timeout
    rf.resetElectionTimer()
    DPrintf("[startElection]: Id %d Term %d state %s \n",rf.me, rf.currentTerm, state2name(rf.raftStatus))
    rf.mu.Unlock()
    // 4.send request vote to other server
    go func(nVotes* int ,rf* Raft) {
        var wg sync.WaitGroup
        winThreadHold := len(rf.peers)/2 + 1

        for i,_ := range rf.peers{
            if i == rf.me{
                continue
            }
            rf.mu.Lock()
            lastLogIndex ,LastLogTerm := rf.getLastLogInfo()

            reqArgs := RequestVoteArgs{Term: rf.currentTerm,CandidateId: rf.me, LastLogIndex: lastLogIndex,LastLogTerm: LastLogTerm}
            rf.mu.Unlock()

            wg.Add(1)

            var reply RequestVoteReply
            go func(index int, rf* Raft, args* RequestVoteArgs, reply* RequestVoteReply) {
                defer wg.Done()
                DPrintf("[startElection]: Id %d Term %d state %s \t || \t" +
                    "start send request vote to %d \n",rf.me, rf.currentTerm, state2name(rf.raftStatus),index)

                ok := rf.sendRequestVote(index,args,reply)
                if ok == false {
                    DPrintf("[startElection]: Id %d Term %d state %s \t || \t" +
                        "send request vote to %d failed \n",rf.me, rf.currentTerm, state2name(rf.raftStatus),index)
                    return
                }

                rf.mu.Lock()
                defer rf.mu.Unlock()
                // reject vote
                if reply.VoteGranted == false{
                    if reply.Term > rf.currentTerm{
                        DPrintf("[startElection]: Id %d Term %d state %s \t || \t" +
                            "peer term:%d \n",rf.me, rf.currentTerm, state2name(rf.raftStatus),reply.Term)
                        rf.convertToFollower(reply.Term)
                    }
                }else{
                    *nVotes += 1
                    // if it self has became leader , then no need to do
                    _,isLeader := rf.GetState()
                    if isLeader{
                        return
                    }
                    if rf.raftStatus == Candidate && *nVotes >= winThreadHold {
                        DPrintf("[startElection]: Id %d Term %d state %s \t || \t" +
                            "win election votes:%d \n",rf.me, rf.currentTerm, state2name(rf.raftStatus),*nVotes)

                        // win election
                        rf.convertToLeader()

                        // re init nextIndex
                        rf.reInitNextIndex()

                        // send heartbeat immediately to all server
                        DPrintf("start send heartbeat\n")
                        go rf.broadcastHeartbeat()
                    }
                }

            }(i,rf,&reqArgs,&reply)
        }

        // wait all send finish
        wg.Wait()

    }(&nVotes,rf)

}
  1. 处理投票
    那么这里主要是根据term和lastlogindex来判断是否投票。
    不投票?
    a) 比自己Term小
    b) log比自己旧
    c) 在本次Term中已经投票过了(args.Term == rf.currentTerm && rf.votedFor!= -1)
  2. 处理心跳
    论文说了,entries为空表示心跳信息。
    如果收到了term更高的发来的心跳,应该转变为follower并重置选举超时计时器
    收到当前term的,直接重置选举超时计时器
    同时我们应该在reply中附上自己的term,以便leader检测自己是否是过时的leader(leader断线重连,term比自己小)

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分布式综合技术

CEPH通信连接分析

2020-12-18 22:37:18

分布式

MIT6.824 Lab2B TestBackup2B 分析

2020-12-18 22:53:54

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