Raft算法之日志篇

一、日志存储

每条日志存储内容如下：

term：领导人所在任期

应用操作内容：由客户端发送的请求，需要被复制状态机（replicated state machine）执行的命令，如上是一个KV系统，每一次的操作是对某个key的内容。

二、日志状态

日志大概分以下几个状态：

1、初始化

即刚被加入到系统中

2、被提交

如果一条日志被多数节点收到，则该日志会被转为被提交，即可以被应用到状态机。

3、已应用

即已经应用到状态机了，可以返回给客户端了。

三、与日志相关的消息

1、AppendEntries RPC

这个消息由Leader发出，有2个作用：

A、将客户端发送的命令而产生的日志发送给Follower，从而推进日志达到一致的状态；

B、心跳，表明集群中存在Leader，不用发起选举；

第一个场景是接受客户端命令后发出，并且等大部分Follower接收到才返回给客户端；

第二个场景由Leader定时发出；

相关规则如下：

1、对于Leader

• 于一个追随者来说，如果上一次收到的日志索引大于将要收到的日志索引（nextIndex）：通过AppendEntries RPC将 nextIndex 之后的所有日志条目发送出去
  • 如果发送成功：将该追随者的 nextIndex和matchIndex更新
  • 如果由于日志不一致导致AppendEntries RPC失败：nextIndex递减并且重新发送（5.3 节）
• 如果存在一个满足N > commitIndex和matchIndex[i] >= N并且log[N].term == currentTerm的 N，则将commitIndex赋值为 N

上面一条规则好理解，以上面的举例来说：

假设节点从上到下分别是A、B、C、D、E，当前Leader是节点A，前面说过Leader针对每一个Follower会记录nextIndex和matchIndex，我们假设最理想的情况，即A针对B记录的nextIndex是9，matchIndex是8，所以心跳消息中的nextIndex是9，B收到消息会检查nextIndex之前的日志是否在本地存在，因6-8的日志不存在，因此返回false，A因此将nextIndex回退至6才匹配上，然后将6-8的日志发送给B，并且将matchIndex和nextIndex也一并更新。

规则2比较难理解：

如果存在一个满足N > commitIndex和matchIndex[i] >= N并且log[N].term == currentTerm的 N，则将commitIndex赋值为 N

重点是加粗的内容，说简单点当前Leader不能直接提交日志的term不为自己的，即不能直接提交前任的日志，举个例子：

这是5个节点的集群，服务器编号分别是 S1-S5，最上面是日志索引，每个框内的数字表示日志的term，最底下的字母表示场景，分别为a-e。

场景a：S1是Leader，term为2，并且将index为2的日志复制到S2上；

场景b：S1挂了，S5当选为Leader，term增长为3，S5在index为2的位置上接收到了新的日志；

场景c：S5挂了，S1当选为Leader，term增长为4，S1将index为2、term为2的日志复制到了S3上，此时已经满足过半数了。

问题就在场景c：此时term为4，之前term为2的日志达到过半数了，S1是提交该日志呢还是不提交？

假如S1提交的话，则index为2、term为2的日志就被应用到状态机中了，就不可撤消了；

此时S1如果挂了，来到场景d，S5是可以被选为leader的，因为按照之前的log比对策略来说，S5的最后一个log的term是3，比S2、S3、S4的最后一个log的term都大。

一旦S5被选举为leader，即场景d，S5会复制index为2、term为3的日志到上述机器上，这时候就会造成之前S1已经提交的index为2的位置被重新覆盖，因此违背了一致性。

假如S1不提交，而是等到term4中有过半的日志了，然后再将之前的term的日志一起提交，即处于e场景，S1此时挂的话，S5就不能被选为leader了，因为S2、S3的最后一个log的term为4，比S5的3大，所以S5获取不到投票，进而S5就不可能去覆盖上述的提交。

总结下：Leader不能直接提交前任的日志，哪怕前任日志已经被多数节点收到了，而是等等当前任期的日志被大多数节点接收后做提交后，间接的提交了前任的日志。

四、其它技术细节

1、AppendEntries RPC消息参数

term：领导人的任期号

leaderId：领导人标识

prevLogIndex：前一条日志索引号

prevLogTerm：前一 条日志任期号

具体要复制的消息

laderCommitIndex：leader的commitIndex

2、Follower收到响应处理过程

首先是term的检查，这块是公共逻辑：

检查对方的term是否比自己小，如果是则返回自己的term，并返回失败 ；

如果自己的term比对方大，则不管当前什么角色变为Follower，并更新term为对方的term，并添加日志；

如果term和自己相等，则只有Follower、Candidate才变为Follower，更新Term，并添加日志，对于Leader应该返回失败。

3、关于日志太大的问题

对于1个7*24小时的服务，如果日志一直追加，最终磁盘空间肯定不够的，有问题恢复也太慢，这就生产了日照的需求，Raft算法大设计的时候就考虑到了这个问题，这个留到后面章节分析。