Raft 领导者选举

Raft基础

由于Paxos算法过于复杂，需要一艘具有R{eliable|eplicated|edundant} And Fault-Tolerant的原木(log)组成的木筏（raft）驶出帕加索斯(Paxos)小岛。

Leader 领导者 处理客户端请求和日志复制，同一时刻最多只有一个领导者
Follower 跟随着 被动处理请求，不主动发送RPC请求，只响应收到的RPC请求
Candidate 候选者 用于选举出新的领导者，处于领导者和跟随者之间的暂存状态

Raft算法选举出领导者意味进入一个新任期（Term），实际上任期就是一个逻辑时间。Raft用任期解决分布式系统中的时序问题。任期单调递增且永不重复。

一个正常的任期至少有一个领导者，任期通常分为两部分，任期开始时的选举和任期正常运行的部分。

每个服务器需要维护一个currentTerm变量，记录当前已知最新任期号，必须持久化存储currentTerm变量，以便服务器宕机重启后能够知道最新任期。

Raft服务器之间的通信通过2个RPC调用，RequestVote RPC用于领导者选举，AppendEntries RPC用于复制日志和发送心跳。

领导者选举

Raft算法启动时，每个节点都是跟随者，被动接受领导者或候选者的RPC请求。在经过超时时间后（一般每个节点不同，随机在100ms-500ms范围内）没有接受到领导者发送的RPC请求，跟随者会进入候选者状态，请求获取其他跟随者的投票，获得超过半数投票后，该节点成为领导者，向其他节点发送心跳，维持自己的领导者身份。

raft中的角色转换
当一个节点开始竞选时，流程如下图所示，第一步，节点转换为候选者状态，目的是获取选票，成为领导者；第二步，增加自己的当前任期变量currentTerm，表示进入新的任期；第三步，先给自己投一票；第四步，并行向其他节点方式RequestVote消息索要选票，如果没有收到，会反复尝试，直到发生以下情况：
候选者选举过程
（1）获得超过半数的选票。该节点成为领导者，并向其他节点每隔一段时间发送心跳信息（空的AppendEntries)，维持自己的领导者身份。
（2）收到来自领导者的AppendEntries心跳消息，说明系统中已经存在领导者，节点转换为跟随者。
（3）选举超时，说明此时没有领导者产生，重新开始新一轮选举。

选举过程需要保证共识算法中的两个特性：安全性和活性。安全性指一个任期内只有一个领导者被选举出来；活性指最终会选举出一个领导者。
安全性需要保证：
（1）每个节点在一个任期内只能投一次票，将投给第一个满足条件的RequestVote请求的发送者，然后拒绝其他候选者的请求。需要在每个节点增加一个votedFor变量（需要持久化），表示当前任期投给哪个候选者，如果没有投票，则votedFor为空。votedFor需要持久化，当节点重启恢复后，需要恢复投票信息，否则可以将票投给其他候选者。
（2）只有获取超过半数的选票才能成为领导者，即无法存在两个不同候选者在同一任期内同时成为领导者（因为无法获取 $n÷2+1$的选票）。

=>问题
如果选举从同一时间开始，没有一个候选者拿到多数票，比如8个节点，3个候选者，获得选票为3，3，2，触发超时，继续进行选举，循环往复。为了解决这个问题，可以通过活锁解决问题：每个节点随机选取超时时间，通常在[T,2T]范围内（比如150ms-300ms）。通过活锁，先到达超时时间的节点，转换为候选者，向其他节点请求投票。

如果T远大于网络广播时间，效果更佳。

简单实现

package go_raft

import (
	"sync"
	"time"
)

const (
	Follower = iota
	Candidate
	Leader
)

type Raft struct {
	mu sync.Mutex

	state int

	currentTerm int
	votedFor    int

	log []LogEntry

	heartbeatTime time.Time
}

type RequestVoteArgs struct {
	//候选者任期
	Term int
	//候选者id
	CandidateId int
	//候选者的最后一条日志的索引
	LastLogIndex int
	//候选者的最后一条日志的任期
	LastLogTerm int
}

type RequestVoteReply struct {
	//处理请求节点任期
	Term int
	//是否获得投票
	VoteGranter bool
}

func (rf *Raft) RequestVote(args *RequestVoteArgs, reply *RequestVoteReply) {
	rf.mu.Lock()
	defer rf.mu.Unlock()

	reply.Term = rf.currentTerm
	reply.VoteGranter = false
	if args.Term < rf.currentTerm {
		return
	}

	//收到更大的请求，更新自己的currentTerm，转变为Follower
	if args.Term > rf.currentTerm {
		rf.currentTerm = args.Term
		rf.state = Follower
		rf.votedFor = -1
	}

	if rf.votedFor == -1 || rf.votedFor == args.CandidateId {
		//增强选举限制
		lastIndex := len(rf.log) - 1
		if rf.log[lastIndex].Term > args.LastLogTerm ||
			(rf.log[lastIndex].Term == args.LastLogTerm && rf.log[lastIndex].Index > args.LastLogIndex) {
			return
		}

		rf.votedFor = args.CandidateId
		reply.VoteGranter = true
		rf.heartbeatTime = time.Now()
	}
	return

}