利用Go语言实现Raft日志同步
作者:nananatsu
在raft中,选取成功后集群就可以正常工作,一次正常的客户端提案过程如下:
- 客户端连接到leader,发起提案
- leader收到提案后将提案,包装为一条日志
- leader将日志缓存到待提交日志
- leader发送日志到集群其他节点
- follower收到日志后,将日志缓存到待提交日志,并响应leader请求
- leader收到follower响应,检查是否集群大多数节点已响应
- 集群中大多数节点已缓存日志后,leader提交日志,发送空日志要求follower提交日志
- leader响应客户端提案已接收
raft中日志规则如下:
1.如果在不同节点日志中的两条日志记录有相同的任期、编号,则这两条日志记录具有相同的内容
- leader在单个任期中最多创建一个给定编号的日志记录
- leader不会改变日志记录所在的位置(leader不会覆盖、删除日志记录)
2.如果在不同节点日志中的两条日志记录有相同的任期、编号,则这两条日志之前的所有日志相同
leader发送日志记录到follower会包含上次日志记录编号、任期
follower在收到追加日志时请求时会进行一致性检查,如检查失败,follower会拒绝追加请求,保证了日志与leader一致,一致性检查失败时leader会强迫follower接受leader日志,从而保证日志一致性。一致性检查失败分两种情况,
a.follower日志存在缺失,收到失败响应后leader会将发送日志编号减一(follower检查失败时也可以返回当前最新日志编号),发送follower缺失的日志
当节点下线过一段时间/网络异常消息丢失会出现日志缺失
b.follower有多余/不一致的日志,收到失败响应后leader会将发送日志编号减一(follower检查失败时也可以返回当前最后提交的日志编号),找到两份日志中最新的一致记录编号,删除follower中不一致的部分
节点当选leader收到消息只追加到本地尚未同步到集群便异常下线,后续上线会出现内存中有不一致的日志,已提交日志不会出现不一致
日志在节点间的同步分两步完成,
1.leader通过rpc将日志复制到其他节点
2.当leader确认日志已被复制到集群中大多数节点后,将日志持久化到磁盘,leader追踪已提交的日志的最大编号,通过日志rpc(含心跳)发送该编号告知follower需提交日志
日志提交时会持久化当前编号及该编号之前的未提交日志
每条日志到包含客户端的实际提案内容、leader任期、日志编号,定义日志记录为如下结构:
- type 日志类型,当前只有一种日志,客户端的提案
- term 日志产生的任期,编号和任期相同代表为同一条日志
- index 日志编号,单调增加
- data 提案的实际内容
enum EntryType { NORMAL = 0; } message LogEntry { EntryType type = 1; uint64 term = 2; uint64 index = 3; bytes data = 4; }
定义日志整体结构
未提交日志,保存在内存切片中
日志提交时,取出切片待提交部分,进行持久化
type WaitApply struct { done bool index uint64 ch chan struct{} } type RaftLog struct { logEnties []*pb.LogEntry // 未提交日志 storage Storage // 已提交日志存储 commitIndex uint64 // 提交进度 lastAppliedIndex uint64 // 最后提交日志 lastAppliedTerm uint64 // 最后提交日志任期 lastAppendIndex uint64 // 最后追加日志 logger *zap.SugaredLogger }
定义日志持久化接口,实际存储实现由外部提供
type Storage interface { Append(entries []*pb.LogEntry) GetEntries(startIndex, endIndex uint64) []*pb.LogEntry GetTerm(index uint64) uint64 GetLastLogIndexAndTerm() (uint64, uint64) Close() }
实现一致性检查
已持久化的日志必然与leader一致,检查一致时只需检查内存中日志切片,存在以下几种情况:
1.节点日志中有找到leader上次追加日志
I.为节点追加的最后一条日志
II.为节点内存切片中的某条日志
- 节点网络波动,导致未响应leader,leader重发了记录,清除重复日志记录
- 节点作为leader期间有部分日志未同步到其他节点就失效,集群重新选举,导致后续日志不一致,清除冲突日志(内存中后续日志)
III.为节点最后提交日志
如内存中存在日志记录,则内存中的记录皆不一致,清除内存日志记录
2.节点未找到leader上次追加日志
I.存在相同日志编号记录,任不相同
节点作为leader期间有部分日志未同步到其他节点就失效,集群重新选举,导致使用了相同日志编号,清除冲突日志(相同任期的日志),从节点未冲突部分开始重发
II.没有相同日志编号记录
日志缺失,需从最后提交开始重发
func (l *RaftLog) HasPrevLog(lastIndex, lastTerm uint64) bool { if lastIndex == 0 { return true } var term uint64 size := len(l.logEnties) if size > 0 { lastlog := l.logEnties[size-1] if lastlog.Index == lastIndex { term = lastlog.Term } else if lastlog.Index > lastIndex { // 检查最后提交 if lastIndex == l.lastAppliedIndex { // 已提交日志必然一致 l.logEnties = l.logEnties[:0] return true } else if lastIndex > l.lastAppliedIndex { // 检查未提交日志 for i, entry := range l.logEnties[:size] { if entry.Index == lastIndex { term = entry.Term // 将leader上次追加后日志清理 // 网络异常未收到响应导致leader重发日志/leader重选举使旧leader未同步数据失效 l.logEnties = l.logEnties[:i+1] break } } } } } else if lastIndex == l.lastAppliedIndex { return true } b := term == lastTerm if !b { l.logger.Debugf("最新日志: %d, 任期: %d ,本地记录任期: %d", lastIndex, lastTerm, term) if term != 0 { // 当日志与leader不一致,删除内存中不一致数据同任期日志记录 for i, entry := range l.logEnties { if entry.Term == term { l.logEnties = l.logEnties[:i] break } } } } return b }
实现日志追加,将新的日志添加到内存切片,更新最后追加日志编号
func (l *RaftLog) AppendEntry(entry []*pb.LogEntry) { size := len(entry) if size == 0 { return } l.logEnties = append(l.logEnties, entry...) l.lastAppendIndex = entry[size-1].Index }
实现日志提交
- follower可能未同步全部日志,同步时如节点日志已同步全部待提交日志,则提交待提交日志,否则提交索引已追加日志
- 取出日志中待提交部分,添加到持久化存储,更新提交进度、内存切片
func (l *RaftLog) Apply(lastCommit, lastLogIndex uint64) { // 更新可提交索引 if lastCommit > l.commitIndex { if lastLogIndex > lastCommit { l.commitIndex = lastCommit } else { l.commitIndex = lastLogIndex } } // 提交索引 if l.commitIndex > l.lastAppliedIndex { n := 0 for i, entry := range l.logEnties { if l.commitIndex >= entry.Index { n = i } else { break } } entries := l.logEnties[:n+1] l.storage.Append(entries) l.lastAppliedIndex = l.logEnties[n].Index l.lastAppliedTerm = l.logEnties[n].Term l.logEnties = l.logEnties[n+1:] l.NotifyReadIndex() } }
定义新建函数,创建实例时需提供存储实现
func NewRaftLog(storage Storage, logger *zap.SugaredLogger) *RaftLog { lastIndex, lastTerm := storage.GetLastLogIndexAndTerm() return &RaftLog{ logEnties: make([]*pb.LogEntry, 0), storage: storage, commitIndex: lastIndex, lastAppliedIndex: lastIndex, lastAppliedTerm: lastTerm, lastAppendIndex: lastIndex, logger: logger, } }
实现了日志的一致性检查、追加、提交,接下实现raft中日志处理逻辑,首先我们需要在leader节点中保存集群其他节点的日志同步进度
节点在切换为leader时会将进度重置
- 投票响应中会返回节点最新日志信息
- 未收到投票响应的,使用leader最新日志,在一致性检查后动态更新
在集群使用中通过第一条消息确认网络可用,后续假设网络正常,消息发送即成功,不等待节点响应消息,直到出现同步失败
- prevResp 记录上次发送结果,初始时为flase
- pending 中记录未发送完成的日志编号
- 消息发送时如 !prevResp && len(pending) 为true,表示上次发送未完成,延迟后续信息发送
- 一次消息发送成功后,prevResp标记为true,后续有待发送日志都直接发送
type ReplicaProgress struct { MatchIndex uint64 // 已接收日志 NextIndex uint64 // 下次发送日志 pending []uint64 // 未发送完成日志 prevResp bool // 上次日志发送结果 maybeLostIndex uint64 // 可能丢失的日志,记上次发送未完以重发 }
leader将日志记录追加到本地,再广播到集群
func (r *Raft) BroadcastAppendEntries() { r.cluster.Foreach(func(id uint64, _ *ReplicaProgress) { if id == r.id { return } r.SendAppendEntries(id) }) } func (r *Raft) SendAppendEntries(to uint64) { p := r.cluster.progress[to] if p == nil || p.IsPause() { return } nextIndex := r.cluster.GetNextIndex(to) lastLogIndex := nextIndex - 1 lastLogTerm := r.raftlog.GetTerm(lastLogIndex) maxSize := MAX_LOG_ENTRY_SEND if !p.prevResp { maxSize = 1 } // var entries []*pb.LogEntry entries := r.raftlog.GetEntries(nextIndex, maxSize) size := len(entries) if size > 0 { r.cluster.AppendEntry(to, entries[size-1].Index) } r.send(&pb.RaftMessage{ MsgType: pb.MessageType_APPEND_ENTRY, Term: r.currentTerm, From: r.id, To: to, LastLogIndex: lastLogIndex, LastLogTerm: lastLogTerm, LastCommit: r.raftlog.commitIndex, Entry: entries, }) }
- 从日志中取得最新日志编号,遍历待追加日志,设置日志编号
- 追加日志到内存切片
- 更新leader追加进度
- 广播日志到集群
func (r *Raft) AppendEntry(entries []*pb.LogEntry) { lastLogIndex, _ := r.raftlog.GetLastLogIndexAndTerm() for i, entry := range entries { entry.Index = lastLogIndex + 1 + uint64(i) entry.Term = r.currentTerm } r.raftlog.AppendEntry(entries) r.cluster.UpdateLogIndex(r.id, entries[len(entries)-1].Index) r.BroadcastAppendEntries() } func (c *Cluster) UpdateLogIndex(id uint64, lastIndex uint64) { p := c.progress[id] if p != nil { p.NextIndex = lastIndex p.MatchIndex = lastIndex + 1 } }
广播日志与之前广播心跳一致,遍历集群信息发送到每个节点,发送按下述流程
检查发送状态,如上次发送未完成,暂缓发送
func (rp *ReplicaProgress) IsPause() bool { return (!rp.prevResp && len(rp.pending) > 0) }
从节点同步进度中取得当前需发送日志编号
func (c *Cluster) GetNextIndex(id uint64) uint64 { p := c.progress[id] if p != nil { return p.NextIndex } return 0 }
从leader的日志中取到要发送的日志
func (l *RaftLog) GetEntries(index uint64, maxSize int) []*pb.LogEntry { // 请求日志已提交,从存储获取 if index <= l.lastAppliedIndex { endIndex := index + MAX_APPEND_ENTRY_SIZE if endIndex >= l.lastAppliedIndex { endIndex = l.lastAppliedIndex + 1 } return l.storage.GetEntries(index, endIndex) } else { // 请求日志未提交,从数组获取 var entries []*pb.LogEntry for i, entry := range l.logEnties { if entry.Index == index { if len(l.logEnties)-i > maxSize { entries = l.logEnties[i : i+maxSize] } else { entries = l.logEnties[i:] } break } } return entries } }
更新节点发送进度,将节点待发送日志编号加一,将发送的日志编号加入未发送完成切片
上次发送成功时,假设本次也会成功,如发送失败再回退发送进度
func (c *Cluster) AppendEntry(id uint64, lastIndex uint64) { p := c.progress[id] if p != nil { p.AppendEntry(lastIndex) } } func (rp *ReplicaProgress) AppendEntry(lastIndex uint64) { rp.pending = append(rp.pending, lastIndex) if rp.prevResp { rp.NextIndex = lastIndex + 1 } }
日志发送后,是follower收到日志进行处理
进行一致性检查
- 检查成功,将日志追加到follower内存中,标记追加成功
- 检查失败,一致性检查中已处理冲突日志,直接标记追加失败
尝试提交日志,每次日志消息都会包含leader提交进度,按leader提交进度,提交follower日志
响应leader本次追加结果
func (r *Raft) ReciveAppendEntries(mLeader, mTerm, mLastLogTerm, mLastLogIndex, mLastCommit uint64, mEntries []*pb.LogEntry) { var accept bool if !r.raftlog.HasPrevLog(mLastLogIndex, mLastLogTerm) { // 检查节点日志是否与leader一致 r.logger.Infof("节点未含有上次追加日志: Index: %d, Term: %d ", mLastLogIndex, mLastLogTerm) accept = false } else { r.raftlog.AppendEntry(mEntries) accept = true } lastLogIndex, lastLogTerm := r.raftlog.GetLastLogIndexAndTerm() r.raftlog.Apply(mLastCommit, lastLogIndex) r.send(&pb.RaftMessage{ MsgType: pb.MessageType_APPEND_ENTRY_RESP, Term: r.currentTerm, From: r.id, To: mLeader, LastLogIndex: lastLogIndex, LastLogTerm: lastLogTerm, Success: accept, }) }
leader处理follower日志追加响应,响应分为日志追加成功、日志追加失败
func (r *Raft) ReciveAppendEntriesResult(from, term, lastLogIndex uint64, success bool) { leaderLastLogIndex, _ := r.raftlog.GetLastLogIndexAndTerm() if success { r.cluster.AppendEntryResp(from, lastLogIndex) if lastLogIndex > r.raftlog.commitIndex { // 取已同步索引更新到lastcommit if r.cluster.CheckCommit(lastLogIndex) { prevApplied := r.raftlog.lastAppliedIndex r.raftlog.Apply(lastLogIndex, lastLogIndex) r.BroadcastAppendEntries() } } else if len(r.raftlog.waitQueue) > 0 { r.raftlog.NotifyReadIndex() } if r.cluster.GetNextIndex(from) <= leaderLastLogIndex { r.SendAppendEntries(from) } } else { r.logger.Infof("节点 %s 追加日志失败, Leader记录节点最新日志: %d ,节点最新日志: %d ", strconv.FormatUint(from, 16), r.cluster.GetNextIndex(from)-1, lastLogIndex) r.cluster.ResetLogIndex(from, lastLogIndex, leaderLastLogIndex) r.SendAppendEntries(from) } }
日志追加成功时
更新同步进度,更新节点已接收进度,从未发送完成切片中清除已发送部分,标记上次发送成功
func (c *Cluster) AppendEntryResp(id uint64, lastIndex uint64) { p := c.progress[id] if p != nil { p.AppendEntryResp(lastIndex) } } func (rp *ReplicaProgress) AppendEntryResp(lastIndex uint64) { if rp.MatchIndex < lastIndex { rp.MatchIndex = lastIndex } idx := -1 for i, v := range rp.pending { if v == lastIndex { idx = i } } // 标记前次日志发送成功,更新下次发送 if !rp.prevResp { rp.prevResp = true rp.NextIndex = lastIndex + 1 } if idx > -1 { // 清除之前发送 rp.pending = rp.pending[idx+1:] } }
检查follower数据同步进度,判断响应对应日志编号是否在集群中大多数节点已同步
func (c *Cluster) CheckCommit(index uint64) bool { // 集群达到多数共识才允许提交 incomingLogged := 0 for id := range c.progress { if index <= c.progress[id].MatchIndex { incomingLogged++ } } incomingCommit := incomingLogged >= len(c.progress)/2+1 return incomingCommit }
集群达成多数共识时,提交日志,继续广播日志
当响应follower待发送日志编号小于leader最新日志时继续发送日志
当日志追加失败时
按follower响应的日志进度重置日志同步进度,标记上次发送失败,以延缓发送起始日志编号与follower不一致的日志,直到日志正确追加
func (c *Cluster) ResetLogIndex(id uint64, lastIndex uint64, leaderLastIndex uint64) { p := c.progress[id] if p != nil { p.ResetLogIndex(lastIndex, leaderLastIndex) } } func (rp *ReplicaProgress) ResetLogIndex(lastLogIndex uint64, leaderLastLogIndex uint64) { // 节点最后日志小于leader最新日志按节点更新进度,否则按leader更新进度 if lastLogIndex < leaderLastLogIndex { rp.NextIndex = lastLogIndex + 1 rp.MatchIndex = lastLogIndex } else { rp.NextIndex = leaderLastLogIndex + 1 rp.MatchIndex = leaderLastLogIndex } if rp.prevResp { rp.prevResp = false rp.pending = nil } }
按更新后同步进度重发日志
修改raft新建函数,参数中加入存储接口
func NewRaft(id uint64, storage Storage, peers map[uint64]string, logger *zap.SugaredLogger) *Raft { raftlog := NewRaftLog(storage, logger) ... }
raft日志同步逻辑基本实现,接下来实现raftNode中的提案方法以追加日志,在raftNode主循环中已实现读取recv通道,调用raft消息处理方法,当为leader时会将提案追加到日志,当前只需要将提案消息加入recv通道
当前leader将提案加入读写通道后视为写入成功,暂不实现集群多数共识后响应客户端
要实现多数响应后通知,可添加一个新的结构含RaftMessage和一个channel,在raftlog添加一个等待队列,当raft处理追加消息时,将日志最后一条记录的日志编号通过channel返回给提案方法,提案方法再将channel放入raftlog中等待队列,提交日志检查等待队列待通知对象,通过channel通知提案方法指定日志编号已提交
func (n *RaftNode) Propose(ctx context.Context, entries []*pb.LogEntry) error { msg := &pb.RaftMessage{ MsgType: pb.MessageType_PROPOSE, Term: n.raft.currentTerm, Entry: entries, } return n.Process(ctx, msg) }
修改raftNode新建函数添加存储接口,存储实现在下篇lsm中实现
func NewRaftNode(id uint64, storage Storage, peers map[uint64]string, logger *zap.SugaredLogger) *RaftNode { node := &RaftNode{ raft: NewRaft(id, storage, peers, logger), ... } ... }
修改raft server中批量发送消息方法,将多个日志记录合并到一个raft meassage进行发送
func (p *Peer) SendBatch(msgs []*pb.RaftMessage) { p.wg.Add(1) var appEntryMsg *pb.RaftMessage var propMsg *pb.RaftMessage for _, msg := range msgs { if msg.MsgType == pb.MessageType_APPEND_ENTRY { if appEntryMsg == nil { appEntryMsg = msg } else { size := len(appEntryMsg.Entry) if size == 0 || len(msg.Entry) == 0 || appEntryMsg.Entry[size-1].Index+1 == msg.Entry[0].Index { appEntryMsg.LastCommit = msg.LastCommit appEntryMsg.Entry = append(appEntryMsg.Entry, msg.Entry...) } else if appEntryMsg.Entry[0].Index >= msg.Entry[0].Index { appEntryMsg = msg } } } else if msg.MsgType == pb.MessageType_PROPOSE { if propMsg == nil { propMsg = msg } else { propMsg.Entry = append(propMsg.Entry, msg.Entry...) } } else { p.send(msg) } } if appEntryMsg != nil { p.send(appEntryMsg) } if propMsg != nil { p.send(propMsg) } p.wg.Done() }
通过上述代码实现了提案到leader,leader包装为日志,同步到集群的过程,后续将通过lsm实现日志落盘并将raft server作为一个简单的kv数据库。
参考:https://github.com/etcd-io/etcd
到此这篇关于利用Go语言实现Raft日志同步的文章就介绍到这了,更多相关Go Raft日志同步内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家!