28图图解Raft协议，so easy~~ - 三友的java日记

大家好，我是三友~~

在之前写的《万字+20张图探秘Nacos注册中心核心实现原理》 这篇文章中我留了一个彩蛋

当文章点赞量突破28个，就单独写一篇关于Raft协议的文章

既然现在文章点赞量已经超过28个，那我就连夜爆肝，把这个坑给填上

由于Nacos使用的是实现了Raft协议的JRaft框架，所以本文主要是基于JRaft框架来讲解

本文我大致分为了下面三个方面的内容：

第一个方面就是讲解在Raft协议中，一个请求在整个集群中的处理过程

第二个方面就是讲解Leader选举相关的内容

第三个方面就是讲一讲JRaft框架做的一些优化

在这个过程中我也会穿插一些Nacos跟JRaft框架整合相关的内容

好了，话不多说，让我们直接进入主题，去会一会这个Raft协议

一个简单的介绍

Raft协议是用来保证服务中各节点数据强一致性的，也就是CAP定理中的CP

在Raft协议中，集群中的服务（也可以被称为节点，Peer）会有三种状态：

• Leader：主节点，负责处理所有的请求，一个集群只有一个Leader，处于唯我独尊的地位
• Follower：从节点，主要是负责复制Leader的数据，保证跟Leader的数据的一致性，Follower必须服从Leader
• Candidate：候选节点，中间状态，最终会变成Leader或者Follower

当一个节点启动的时候，需要将自身节点信息注册到集群中Leader节点

比如Nacos启动的时候，就会通过JRaft提供的APICliService#addPeer将自己注册到Leader节点中

代码在Nacos的JRaftServer类

一个请求的一生

Raft协议中规定，对于一个请求，一定需要交由Leader节点来处理

服务在接收到用户请求的时候，必须得判断当前的节点是不是Leader节点

• 如果是Leader节点，那么就可以处理请求
• 如果不是Leader节点，必须将请求发送给Leader节点处理

如下是Nacos在处理请求时的代码，遵循这个规定

当Leader节点最终接收到请求时，这个请求才能开始被处理

这个请求的处理过程主要分别两个部分：

• Raft协议对请求的处理
• 应用服务对于请求的处理

Raft协议对请求的处理，是因为Raft协议是保证数据强一致性的，所以这个协议本身也需要去处理这个请求才能去保证数据强一致性

应用服务对于请求其实很好理解了，因为对于一个请求来说，肯定最终是要交给应用服务来做这个请求对应的操作

就拿Nacos注册永久服务实例举例，这个请求首先会经过Raft协议，最终有Nacos这个应用服务才会去处理这个注册服务的请求

总的来说，Raft协议其实就是本身对你应用服务的请求进行了一个前置的拦截操作，这个拦截恰恰就是用来保证数据强一致性的

最后这个请求在能保证数据强一致性的前提下交给应用服务，之后该怎么处理就怎么处理

1、Raft协议对请求的处理

1.1、存储请求日志

当Leader节点接收到请求，就会将请求交给Raft协议来处理

首先他会将每个请求的数据封装成一个一个LogEntry对象

同时也会给每个LogEntry设置一个index

这个index你可以暂时认为是LogEntry在整个集群中的唯一标识，从0开始，随着请求的顺序依次递增

之后Raft协议会将LogEntry给存到磁盘中

这样所有请求就会按照顺序一个一个存储到磁盘中了

说到这里，我不知道你有没有想到Redis八股文中常背的AOF日志

Redis的AOF日志也是按照顺序存储所有的写操作

当Redis重启时，可以通过回放AOF日志中的命令来恢复数据

这里的LogEntry其实跟Redis的AOF日志也有相同的作用

当Raft节点重启的时候，可以通过回放LogEntry中请求来恢复数据

相信你在背八股的时候你还背过这么一句话：Redis为了防止AOF文件过大，会重写AOF日志，减小AOF文件大小。那么问题来了，Raft协议会重写LogEntry日志文件来减小日志的大小么？这个问题我们后面来说

1.2、复制日志到所有Follower节点

前面说了，服务在启动时，需要向Leader注册节点信息

在JRaft中，当Leader节点接收到新的Follower节点信息的时候，会为创建一个Replicator，翻译过来就是复制器

这个Replicator会不停地向Follower节点发送请求，将LogEntry按照顺序批量复制给Follower节点

这个过程也被称为AppendEntries

Follower节点接收到这些LogEntry之后，也会将LogEntry存到磁盘中

Follower与Follower之间复制LogEntry是互不影响的

1.3、提交超过半数复制成功LogEntry的index

Leader在每次批量复制成功之后都会对复制成功的LogEntry进行判断

去找到目前已经被超过半数节点都复制成功的最大LogEntry对应的index

什么意思呢，画张图你就明白了

如上图，整个集群有5个节点，一个Leader，四个Follower

按照图上复制进度我们可以看出，已经被超过半数节点成功复制的LogEntry就是index=4的那个LogEntry

因为Follower2和Follower4，再加上Leader节点，这三个节点都成功有了index=4的那个LogEntry，已经超过了集群节点数量的半数

所以超过半数节点都复制成功的最大LogEntry就是index=4的那个

此时也就表明这个index之前的LogEntry都可以交由应用服务所处理

因为超过半数都能成功复制这个LogEntry，那么表明这个集群基本上就是处于稳定状态

这个index也被称为CommitIndex，代表可以被应用服务所处理的最大的index

接下来Raft协议就会将这个index以及之前对应的LogEntry交给应用服务来处理

同时在下次进行复制日志和心跳（后面会说）的时候，会把这个index告诉Follower节点

这样Follower节点也可以处理这些LogEntry对应的请求了

总的来说，一个请求虽然能被Leader节点所接收，但是如果没有超过半数节点复制成功，应用服务就无法处理这个请求。

如果集群发生故障，导致超过半数节点无法复制成功，那么这个请求永远不会被应用服务处理，整个集群就处于不可用状态，很符合CP的概念。

2、应用服务对于请求的处理

上一节说到，当超过半数节点已经复制了LogEntry，此时Raft协议就会将这些LogEntry，也就是请求交给应用服务处理

对于应用服务来说，它必须得去实现一个Raft协议的状态机才能拿到这些请求数据

这个状态机在Raft协议中非常重要，它是应用服务与Raft协议交互的重要桥梁

当Raft协议有什么状态变动的时候，都会调用状态机来通知我们的应用服务

所以状态机不仅仅可以拿到可以处理的请求数据，还可以拿到Raft集群变动的信息

在JRaft框架中，定义了一个StateMachine接口来代表状态机

Nacos在整合JRaft框架的时候，自然而然也会(间接)实现这个状态机

当应用系统拿到这个请求数据之后，就可以做对应的业务处理了。

对于Follower节点来说，最终也是调用状态机来处理请求的。

到这，一个请求就算真正完成了

按照传统，这里画一张图来总结整个请求的一生

3、快照（Snapshot）

前面在说LogEntry留了这么一个问题

Raft协议会重写LogEntry日志文件来减小日志的大小么？

答案其实是不会的。

因为很简单，Redis的业务数据的格式Redis本身是知道的，所以他可以根据最新的数据来重新生成AOF文件

但是Raft协议本身肯定不知道你应用系统的业务数据的格式，所以无法重写LogEntry日志文件减小日志的大小

但是无法重写就意味要忍受LogEntry日志越来越大，占有磁盘的空间变大么？

肯定是不会的，LogEntry日志越来越大不仅仅会占有磁盘空间变大，还会导致重启或者故障恢复越慢，因为重启需要一个一个重新处理LogEntry对应的请求

所以，为了解决上述问题，Raft就提供了优化的手段，也就是本节的标题：快照（Snapshot）

所谓的快照，就是将某一时刻内存中的业务数据给存到磁盘中

这时，我相信你又又想到了Redis八股文中的RDB文件，RDB文件也是某一时刻内存中的数据，所以Raft快照的意思跟RDB文件是很相似的

由于只有应用服务知道内存中的业务数据，所以执行快照这个具体的操作是交给由应用服务来完成的

但是整个过程是由Raft协议去决定是否需要落磁盘

在JRaft框架中，所有的节点默认是每隔1小时执行一次快照任务

JRaft会调用状态机的onSnapshotSave方法，告诉应用服务去生成快照

当然Nacos也实现了这个方法

比如对于永久实例来说，Nacos最终会走到下面这个方法将实例数据存到磁盘

当执行完快照之后，此时应用到这个快照数据之前的LogEntry都可以被删除了

整个过程如下图所示

所以，对于Raft协议来说，他的真正数据是包括 快照 + LogEntry 两部分

重启恢复的时候，只需要读取快照数据，然后再处理生成快照之后所处理LogEntry，就可以快速恢复数据了

Redis在4.0版本之后支持混合RDB+AOF的日志来快速恢复数据，这其实就是跟Raft协议的快照+LogEntry恢复数据几乎是一样的原理，所以你看看，很多框架、中间件他们的一些原理都是相似的

快照除了能减少磁盘，快速恢复之外，还有一个很重要的功能，能够提高Follower复制LogEntry的速度，比如下图的这种情况

某一时刻，Leader生成快照之后，之后最小的日志索引就是index=3了，其余的日志都删了

Follower1由于复制的慢，才复制到了index=1的位置，接下来要复制index=2的位置

Follower2新加入的节点，没有数据，接下来要从index=0开始复制

Leader节点在复制数据给Follower的时候，发现Follower接下来要复制的index都已经小于我本身最小的日志了，已经没有办法复制给Follower

此时他就会向Follower发送一个安装快照的请求

Follower接收到请求之后，会向Leader发送一个请求，拉取快照数据，将快照数据存到磁盘文件中

之后Follower会调用状态机的onSnapshotLoad方法，让应用服务加载这些快照数据到内存中

之后Follower节点只需要复制这个快照之后的LogEntry就可以了，如下图所示

总的来说，快照主要有两个用途，一是减少LogEntery文件大小，帮助重启快速恢复数据，二是可以加快Follower节点的复制进度

好了，说完一个请求是怎么在Raft协议中处理之后，接下来讲一讲Raft协议是如何选举Leader节点的

1、选举周期与选举时机

在说选举之前，有两个东西得说一下

• 选举周期（term）

1.1、选举周期

选举周期，也可以叫任期，这个东西非常重要，那么怎么理解呢

举个例子，比如说，在上学的时候，要选择课代表

总共有3个名候选人，要班里的同学投票，规定得票超过半数的人竞选成功

第一次投票，没人得到超过半数票

接下来进行第二次投票、第三次投票...

这里面每一轮投票在Raft协议中就代表一次选举周期，选举周期也会随着选举次数一直递增

Raft协议规定，在同一个周期中

• 每个节点只能投一次票
• 最多只能有一个节点成为Leader节点，当没选出Leader节点时，此时就会进入下一个周期选举

周期会保存在每个节点的内存中，在一个已经选举稳定运行的集群中，每个节点的周期是一样的

前面在介绍LogEntry的时候，我说过暂时可以认为index全局唯一的

之所以这么说，主要是因为真正的可以判断一个唯一的LogEntry，需要通过周期（term）和index一起判断

当生成LogEntry，其实会将当前的集群的周期和index一起写入到LogEntry中

为什么要通过两个一起判断呢？举个例子，如下图所示

集群中有很多节点，我只画了两个

某一时刻出现了上图，在周期1时，Leader节点的index已经到了5，而Follower值复制到了index=3

假设此时Leader网络出现故障，于是集群开始重新选举

此时选举出图上的Follower作为新的Leader节点，选举周期增加到了2

此时新的Leader（原先Follower）会接收新的请求，写LogEntry，此时他会接着本身的最大的index=3继续按顺序写日志

所以从这可以看出，仅仅只根据同一个index并不能确定是同一个LogEntry

如果此时原Leader恢复了网络，就会成为Follower，接收新的Leader的LogEntry

由于Leader唯我独尊的地位，此时这个Follower需要丢弃之前周期1的index=4位置的LogEntry，复制Leader的日志

所以从这可以看出，比较两个日志谁的更新，需要先判断周期，周期越大越新，周期相同再判断index，index越大越新

记住这句话，选举的时候有用

1.2、选举时机

就是当Follower超过一定时间没有接收到Leader节点的心跳，这个Follower节点就会开启选举

在一个集群中，Leader会不停地向每个Follower节点发送心跳保持自己的领导地位

并且这个心跳机制的实现是通过复用日志复制接口的

Leader会构建一个LogEntry，这个LogEntry中并没有携带什么用户的请求数据，但是会携带CommitIndex信息，方便Follower及时将可以处理的LogEntry交由应用服务处理

当Follower发现LogEntry没有请求数据，就知道是心跳信息，就不会将LogEntry给落到磁盘了，仅仅只是更新Leader节点的心跳时间

其实，只要通过日志复制接口来的数据，都会更新心跳时间，不仅仅是心跳包，复制真正日志的时候也更新心跳时间

在JRaft框架中，每个Follower会开启一个定时任务，每隔1~2s去判断最后一次心跳时间，如果发现超过1s没接收到心跳信息就会开启选举

所以每个Follower都可以发起选举，只要超过一定时间没收到心跳信息

2、StepDown

在说选举之前，再讲一个很重要的StepDown操作，可以翻译为下台的意思

这个操作规定，集群中所有的节点，一旦发现集群中有更大的周期

请求和响应数据都需要携带自身节点的周期，所以每个节点都可以知道集群中其它节点的周期

那么此时这个节点必须进行StepDown操作

这个StepDown操作包含下面三步:

• 将自身的周期设置成其它节点这个更大的周期
• 状态重新设置成Follower
• 重新开启选举倒计时，检查心跳，一旦又超过1~2s没接收到新，就基于这个更大的周期再次递增，再次开始选举

所以这个StepDown操作说白了就是让周期更低的节点去等待其它周期更高的节点成为Leader节点（不一定会成）

这一节很重要，如果接下来选举如果有什么想不通的，多读这一节

3、预选举

当Follower可以发起选举的时候，并不会直接选举，而是先进行一波预选举

在原始的Raft协议中是没有预选举机制，预选举是JRaft框架做的优化

所谓预选举就是在正式选举之前去判断一下自己是不是有潜质，很大几率成为Leader

那么为什么JRaft框架要加入预选举机制？

主要是因为如果在选举过程中出现网络问题，很多节点同时发生选举，导致选举冲突，无法正确选出Leader节点，造成多次无效的选举尝试，进而影响集群的稳定性和可用性

所以为了保证稳定性，只有当当前节点在预选举中可以成为Leader节点，当前节点才会开启真正的选举

预选举的过程并不会改变当前节点的各种状态，仅仅只会向所有的其它节点发送预投票请求，携带下面这些数据

• 当前周期+1，说明准备在下个周期开始选举了
• 当前复制最后一条LogEntry对应的term和index，为了比较谁的日志更新

当其它节点接收到请求的时候，在投票的时候遵循下面几个原则：

• 当前节点与Leader节点的心跳正常，说明Leader节点每什么问题，投否定票
• 发起预投票的节点的周期比自己的小，说明其它节点可能都已经发生好几轮正式选举了，那么你就别凑选举的热闹了，直接投否定票
• 发起预投票的节点复制的日志没有当前节点复制的日志新，直接投否定票

当前面都判断条件都过了之后，那么就会给这个节点投赞成票

当超过半数节点都投了赞成票，那么当前节点就可以正式发起选举了

4、正式选举

当正式选举开始的时候，当前节点会进行一些准备操作:

• 选举周期加1，比如原来是2，现在就为3
• 将当前状态从Follower转换成Candidate，表明这个节点成为候选者
• 将当前这个周期的票投给自己，自己发起选举的，这个票优先投给自己

当这波操作完成之后，就开始构建请求，携带的信息跟预投票是一样的，包括：当前递增后周期、当前节点复制的最新的LogEntry对应的周期（term）和index，然后向所有的节点发送请求

当其它节点接收到请求之后，也会进行一系列判断

• 发起预投票的节点的周期比自己的大，投赞成票，并且会StepDown操作
• 发起预投票的节点的周期比自己的小，则直接投反对票
• 周期相等，如果已经投票给自己或者别人，则投否定票；否则判断日志谁的更新，如果自己的日志更新则直接投反对票，否则就投赞成票

其实正式投票判断条件跟预投票的判断很像

当收到超过半数的节点的赞成票之后，当前节点就可以成为Leader节点了

之后这个节点就会接收请求，将LogEntry复制给其它从节点，同时维护与从节点之间的心跳

JRaft的一些优化

JRaft的优化很多，比如几乎全链路异步、批量并行复制LogEntry、预投票机制等等

这点我再说几点功能性的优化

1、线性一致读

前面说到请求的一生的时候我说过，所有请求都需要交给Leader节点来处理

但是你可以思考个问题

对于读请求来说，真的有必要都交给Leader节点来处理么？

其实是没有必要的

因为虽然Leader节点可以处理，但是Leader节点在处理这个读请求时也会走一遍Raft协议

将读请求的数据封装成LogEntry，然后复制到Follower，最后过半复制成功再处理这个读请求

由于读请求来说并不涉及到数据修改，不会造成数据不一致性

所以走上面这段逻辑并没有任何好处，反而对提高Leader节点处理请求的压力

所以，为了减轻Leader节点的压力，提出了一种叫线性一致读的方式来处理读请求，可以让从节点处理读请求

线性一致读是Raft协议提出的优化，JRaft框架实现了这个逻辑

如上图，假设t时刻去读数据，此时Leader节点已经将index=3的LogEntry应用到状态机

由于Follower节点和Leader节点都是一样的，按照顺序处理LogEntry请求的数据，也就是线性处理

所以只要等到Follower节点也处理到index=3的LogEntry，那么此时Follower节点就和t时刻的Leader节点的数据是一样的了

之所以是t时刻Leader节点数据，是因为Leader节点可能会继续应用LogEntry，但是由于读发生在t时刻，所以只要Follower节点运用到的index是t时刻Leader节点的index就可以了

这样就可以处理从Follower节点处理这个读请求了，读到数据了

线性一致读底层实现也比较简单，就是每次读得时候都去从Leader节点去查找此时Leader节点运用到的index大小

然后当Follower节点应用到的index跟Leader节点是一样的，此时就可以从Follower节点读数据了

所以前面说的那句所有的请求都一定要交给Leader处理，其实可以改成所有的写请求一定要交给Leader处理，读请求可以通过线性一致读交给Follower节点处理

Naocs在读数据的时候就使用到了线性一致读

代码在Nacos的JRaftServer类

2、Learner

在JRaft会有一个Learner的概念，翻译过来就是学习者的意思，也被称为只读成员

所以从名字也可以看出，当一个节点是Learner节点，那么这个节点仅仅只从Leader节点复制数据，并不参与选举、投票和日志复制成功确认

如果当前节点想表明自己是一个Learner的话，在向Leader节点注册的时候，可以通过CliService#addLearners这个API就可以了

这个Learner节点的作用可以用来创建一个只读的服务，通过线性一致读实现类似读写分离效果

3、Multi-Raft-Group

Multi-Raft-Group也是JRaft中一个重要的特性

由于所有的写请求都需要交给Leader处理，一个Leader由于只在一台机器，所以就会导致Leader所在的机器压力很大

基于这个问题，就提出了Multi-Raft-Group

所谓的Multi-Raft-Group，你可以理解的是多租户隔离，通过一个分组（Group）进行隔离

每个组都是有自己的Leader，有自己的单独选举，完全相互不影响

就有点像上学时课代表的意思，每个课代表处理不同的学科的任务，互不影响

举个例子，假设现在有三台机器

我们可以根据系统功能或者数据进行分组，分为A、B、C三个组

此时A组的Leader可能是机器1，B组的Leader可能是机器2，C组的Leader可能是机器3

这样对于不同的组，对应的写请求就可以交给不同的机器处理，这样就解决了一个Leader只在一个机器导致压力大的问题

这就是Multi-Raft-Group

由于有分组，这就导致所有的请求都得携带group的信息，表明这个请求属于哪个组，所以前面提到的所有请求参数其实都得携带group名称

既然有这个分组的功能，Nacos也肯定使用了，对于不同的功能有不同的分组

Nacos目前有4个分组，名称如下图所示

到这就讲完了Raft协议大致内容以及它的实现JRaft框架

这篇又又又是洋洋洒洒写了近万字，根本停不下来

由于Raft协议这种技术栈可能没那么受众

所以不知道有多少人能坚持看到这里

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好了，本文就讲到这里，让我们下期再见，拜拜。

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