raft Java实现的详细设计文档

原文地址：https://www.yuque.com/aidt/tq712e/bhhyno

概述

第一期，只实现raft一致性算法的核心功能，先不实现集群成员变化、日志压缩等功能。 本文为raft实现的设计文档，对raft算法进行抽象，将关键逻辑用图形和表格梳理清楚，从而给使用Java代码进行实现提供设计文档。

主要概念

• server：服务器，可能为leader、candidate、follower中的任意一方
• leader：主节点
• candidate：候选节点
• follower：从节点
• RPC：远程过程调用，在这里指通信接口
• election：选举leader的过程
• client：客户端，发起请求，传输数据的使用方
• entry：条目，=term + 状态机指令(数据) + logIndex(日志索引)。
• term：任期号，即一个数字。如下图，多个term组成了整个生命周期的时间轴。

关键设计

领域模型

term介绍

核心的数据结构即为entry，多个entry组成了本地的数据模型，如下图：

• term：任期号
• index：日志索引，从1开始递增
• data：保存的数据

体现在一个集群中，则如下图：

整体模型

用例图

模块划分

关键类设计

整体类图如下

Server状态流转类图

server状态流转

备注：跟随者只响应来自其他服务器的请求。如果跟随者接收不到消息，那么他就会变成候选人并发起一次选举。获得集群中大多数选票的候选人将成为领导者。在一个任期内，领导人一直都会是领导人直到自己宕机了。

Entry状态转换

从客户端submit到最终apply到状态机：

核心实现流程

leader选举

follower投票

约束转换：

1. 如果term < currentTerm返回 false （5.2 节）
2. 如果 votedFor 为空或者为 candidateId，并且候选人的日志至少和自己一样新，那么就投票给他（5.2 节，5.4 节）
3. 如果接收到的 RPC 请求或响应中，任期号T > currentTerm，那么就令 currentTerm 等于 T，并切换状态为跟随者（5.1 节）

candidate发起投票(广播)

candidate发起投票(单个)

通过ifLeaderChannel方式通知状态转换模块，由candidate转换为leader

日志复制

follower接受条目

leader请求条目(广播)

leader请求条目(单个)

客户端submit

接收客户端submit

客户端submit

提交过程：append-commit-apply-sm

append-commit-apply-sm概述

commit2Apply

状态机的一种实现（apply2sm）

server角色流转的详细实现

基于上面的server状态流转的状态机，详细描述如下：

实现参考

MIT 6.824 2020 Raft 实现细节汇总

其他

通信模块

dubbo参考：

• Dubbo不使用zk
• dubbo-quick-start

grpc参考：

• google grpc 快速入门
• grpc Java Quick Start