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[Java知识库]Nacos注册中心集群数据一致性问题

一、集群架构

1.1 Master - Slave

也就是我们说的主从复制,主机的数据更新后根据配置和策略,自动同步到备机的master/slave机制,当主节点宕机后,集群会根据某种分布式一致性协议(Raft、gossip协议、ZAB协议等)选举出新的Master节点。

Master负责读写,Slave只负责读

在很多组件中都有使用这种思想,比如Mysql主从架构、Redis主从架构、kafka里面的数据副本机制等等。

常见的主从复制架构有:

  1. 一主多从
    在这里插入图片描述

  2. 主主复制
    在这里插入图片描述

  3. 级联复制
    在这里插入图片描述

  4. 多主一从
    在这里插入图片描述

1.2 Leader - Follower

这也是比较常见的集群架构,各自职责如下:

  • Leader:领导者,主要的工作任务有两项

    1. 事物请求的唯一调度和处理者,保证集群事物处理的顺序性
    2. 集群内部各服务器的调度者
  • Follower:跟随者,主要职责是

    1. 处理客户端非事物请求、转发事物请求给 Leader 服务器
    2. 参与事物请求的投票,如Zookeeper半数以上Follower通过才能通知 Leader commit数据
    3. 参与Leader选举的投票

在很多组件中都有使用这种思想,比如ZooKeeper集群等等。

二、Nacos注册中心集群架构

Nacos 注册中心集群架构采用了Leader - Follower模式,在Nacos Server服务启动过程中,会选举出一个Leader节点,如果在运行过程中,Leader节点宕机,服务会进入不可用状态,直到选举出新的Leader节点。

Nacos 提供了顶层的一致性服务类:ConsistencyService,所有的一致性算法实现,都必须实现 ConsistencyService 接口,Nacos内部根据临时节点和持久化节点,分别实现了对应两种一致性协议,整体类关系图如下:
在这里插入图片描述
其中,ConsistencyService 直接实现类或接口有三个:EphemeralConsistencyService、PersistentConsistencyService、DelegateConsistencyServiceImpl,其中 DelegateConsistencyServiceImpl采用了委派设计模式,内部存在EphemeralConsistencyService、PersistentConsistencyService两个成员变量,根据key判断,采用哪种一致性协议。

  • EphemeralConsistencyService:临时节点一致性协议,临时数据与服务器同生共死,即只要会话仍然存在,临时数据就不会丢失。
  • PersistentConsistencyService:持久化节点一致性协议,保证已发布数据的 CP 一致性的一致性协议。

DelegateConsistencyServiceImpl代码实现如下:

@Service("consistencyDelegate")
public class DelegateConsistencyServiceImpl implements ConsistencyService {

    @Autowired
    private PersistentConsistencyService persistentConsistencyService;

    @Autowired
    private EphemeralConsistencyService ephemeralConsistencyService;

    @Override
    public void put(String key, Record value) throws NacosException {
    	// 根据key判断,采用哪种一致性协议,然后调用其put方法
        mapConsistencyService(key).put(key, value);
    }

    @Override
    public void remove(String key) throws NacosException {
    	// 根据key判断,采用哪种一致性协议,然后调用其remove方法
        mapConsistencyService(key).remove(key);
    }

    @Override
    public Datum get(String key) throws NacosException {
    	// 根据key判断,采用哪种一致性协议,然后调用其get方法
        return mapConsistencyService(key).get(key);
    }

    @Override
    public void listen(String key, RecordListener listener) throws NacosException {

        // this special key is listened by both:
        if (KeyBuilder.SERVICE_META_KEY_PREFIX.equals(key)) {
            persistentConsistencyService.listen(key, listener);
            ephemeralConsistencyService.listen(key, listener);
            return;
        }

    	// 根据key判断,采用哪种一致性协议,然后调用其listen方法
        mapConsistencyService(key).listen(key, listener);
    }

    @Override
    public void unlisten(String key, RecordListener listener) throws NacosException {
    	// 根据key判断,采用哪种一致性协议,然后调用其unlisten方法
        mapConsistencyService(key).unlisten(key, listener);
    }

    @Override
    public boolean isAvailable() {
    	// 判断协议可用状态
        return ephemeralConsistencyService.isAvailable() && persistentConsistencyService.isAvailable();
    }

    // 根据key判断,采用哪种一致性协议
    private ConsistencyService mapConsistencyService(String key) {
		// 判断key是否以 com.alibaba.nacos.naming.iplist.ephemeral.  开头,如果是,返回true
		// 即 以 com.alibaba.nacos.naming.iplist.ephemeral.  开头的采用 ephemeralConsistencyService 一致性算法
		// 否则采用 persistentConsistencyService 一致性算法
        return KeyBuilder.matchEphemeralKey(key) ? ephemeralConsistencyService : persistentConsistencyService;
    }
}

其中 KeyBuilder.matchEphemeralKey(key) 逻辑如下:

public class KeyBuilder {
	public static boolean matchEphemeralKey(String key) {
        // currently only instance list has ephemeral type:
		// 判断key是否以 com.alibaba.nacos.naming.iplist.ephemeral.  开头,如果是,返回true
        return matchEphemeralInstanceListKey(key);
    }

	public static boolean matchEphemeralInstanceListKey(String key) {
		// 判断key是否以 com.alibaba.nacos.naming.iplist.ephemeral.  开头,如果是,返回true
        return key.startsWith(INSTANCE_LIST_KEY_PREFIX + EPHEMERAL_KEY_PREFIX);
    }
}

DelegateConsistencyServiceImpl 类的主要作用是:判断key是否以 com.alibaba.nacos.naming.iplist.ephemeral. 开头,如果是,采用 ephemeralConsistencyService 一致性算法,否则采用 persistentConsistencyService 一致性算法。

2.1 DistroConsistencyServiceImpl

DistroConsistencyServiceImpl 为 EphemeralConsistencyService 的唯一实现,如下:
在这里插入图片描述

DistroConsistencyServiceImpl 临时节点一致性协议采用一种分区的一致性协议算法,该算法的特点如下:

  • 将数据划分为许多块,每个 Nacos 服务器节点只负责一个数据块。
  • 每个数据块都由其负责的服务器生成、删除和同步。
  • 每个 Nacos 服务器只处理总服务数据的一个子集的写入。
  • 每个 Nacos 服务器都会接收到其他 Nacos 服务器的数据同步。

最终每个 Nacos 服务器最终都会有一套完整的数据。

分区 / 分片 / 分段 在很多中间件或底层源码都要体现,例如Java 7中的 ConcurrentHashMap中的 Segment、Redis集群架构的Hash槽、Kafka中的数据分片、RocketMa中的读写队列等等。

DistroConsistencyServiceImpl 的类结构比较简单,如下:
在这里插入图片描述

2.1.1 init() 方法

@org.springframework.stereotype.Service("distroConsistencyService")
public class DistroConsistencyServiceImpl implements EphemeralConsistencyService {

	@PostConstruct
    public void init() {
    	// 执行一个线程
        GlobalExecutor.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                	// 尝试加载所有服务中的数据,缓存到本地。
                    load();
                } catch (Exception e) {
                    Loggers.DISTRO.error("load data failed.", e);
                }
            }
        });

		// 执行 Notifier线程
        executor.submit(notifier);
    }
}

2.1.2 load() 方法

尝试加载所有服务中的数据,缓存到本地。

@org.springframework.stereotype.Service("distroConsistencyService")
public class DistroConsistencyServiceImpl implements EphemeralConsistencyService {
	
	public void load() throws Exception {
		// 如果是单机模式
        if (SystemUtils.STANDALONE_MODE) {
            initialized = true;
            return;
        }
        
        // size = 1 means only myself in the list, we need at least one another server alive:
        // size = 1 表示列表中只有我自己,至少需要另一台服务器
        while (serverListManager.getHealthyServers().size() <= 1) {
            Thread.sleep(1000L);
            Loggers.DISTRO.info("waiting server list init...");
        }

		// 遍历健康的服务列表
        for (Server server : serverListManager.getHealthyServers()) {
            if (NetUtils.localServer().equals(server.getKey())) {
                continue;
            }
            if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled()) {
                Loggers.DISTRO.debug("sync from " + server);
            }
            // try sync data from remote server:
            // 尝试从远程服务器同步数据
            if (syncAllDataFromRemote(server)) {
                initialized = true;
                return;
            }
        }
    }

	// 尝试从远程服务器同步数据
	public boolean syncAllDataFromRemote(Server server) {
        try {
        	// 获取Server中所有实例数据 server.getKey() -> ip:port
        	// 发送 /v1/ns/distro/datums 请求,获取所有实例数据
            byte[] data = NamingProxy.getAllData(server.getKey());

			// 处理数据
            processData(data);
            return true;
        } catch (Exception e) {
            Loggers.DISTRO.error("sync full data from " + server + " failed!", e);
            return false;
        }
    }

	// 处理数据
	public void processData(byte[] data) throws Exception {
        if (data.length > 0) {
        	// 解码
            Map<String, Datum<Instances>> datumMap =
                serializer.deserializeMap(data, Instances.class);

            for (Map.Entry<String, Datum<Instances>> entry : datumMap.entrySet()) {
            	// 存储数据
                dataStore.put(entry.getKey(), entry.getValue());

				// 发送事件监听
                if (!listeners.containsKey(entry.getKey())) {
                    // pretty sure the service not exist:
                    if (switchDomain.isDefaultInstanceEphemeral()) {
                        // create empty service
                        Loggers.DISTRO.info("creating service {}", entry.getKey());
                        Service service = new Service();
                        String serviceName = KeyBuilder.getServiceName(entry.getKey());
                        String namespaceId = KeyBuilder.getNamespace(entry.getKey());
                        service.setName(serviceName);
                        service.setNamespaceId(namespaceId);
                        service.setGroupName(Constants.DEFAULT_GROUP);
                        // now validate the service. if failed, exception will be thrown
                        service.setLastModifiedMillis(System.currentTimeMillis());
                        service.recalculateChecksum();
                        listeners.get(KeyBuilder.SERVICE_META_KEY_PREFIX).get(0)
                            .onChange(KeyBuilder.buildServiceMetaKey(namespaceId, serviceName), service);
                    }
                }
            }

			// 发送事件监听
            for (Map.Entry<String, Datum<Instances>> entry : datumMap.entrySet()) {

                if (!listeners.containsKey(entry.getKey())) {
                    // Should not happen:
                    Loggers.DISTRO.warn("listener of {} not found.", entry.getKey());
                    continue;
                }

                try {
                    for (RecordListener listener : listeners.get(entry.getKey())) {
                        listener.onChange(entry.getKey(), entry.getValue().value);
                    }
                } catch (Exception e) {
                    Loggers.DISTRO.error("[NACOS-DISTRO] error while execute listener of key: {}", entry.getKey(), e);
                    // 异常continue
                    continue;
                }

                // Update data store if listener executed successfully:
                // 如果侦听器成功执行,则更新数据存储
                dataStore.put(entry.getKey(), entry.getValue());
            }
        }
    }
}

2.1.3 Notifier 线程(事件监听)

Notifier 为 DistroConsistencyServiceImpl 的一个内部类,用于实现事件监听机制,完成数据变更/删除通知所有Lisenter。

Notifier 采用了生产者消费者模式,通过 BlockingQueue<Pair> tasks 阻塞队列,完成生产 / 消费。

@org.springframework.stereotype.Service("distroConsistencyService")
public class DistroConsistencyServiceImpl implements EphemeralConsistencyService {

    public class Notifier implements Runnable {
        private ConcurrentHashMap<String, String> services = new ConcurrentHashMap<>(10 * 1024);

        private BlockingQueue<Pair> tasks = new LinkedBlockingQueue<Pair>(1024 * 1024);

        public void addTask(String datumKey, ApplyAction action) {
			// 判断是否已经处理过当前 datumKey,并且 action == ApplyAction.CHANGE,避免重复处理
            if (services.containsKey(datumKey) && action == ApplyAction.CHANGE) {
                return;
            }
            // 添加
            if (action == ApplyAction.CHANGE) {
                services.put(datumKey, StringUtils.EMPTY);
            }
			// 生产者消费者模式:生产任务
            tasks.add(Pair.with(datumKey, action));
        }

        public int getTaskSize() {
            return tasks.size();
        }

        @Override
        public void run() {
            Loggers.DISTRO.info("distro notifier started");

			// 死循环:生产者消费者模式,消费任务
            while (true) {
                try {

					// 如果阻塞队列为空,阻塞
                    Pair pair = tasks.take();

                    if (pair == null) {
                        continue;
                    }

                    String datumKey = (String) pair.getValue0();
                    ApplyAction action = (ApplyAction) pair.getValue1();

					// 移出当前datumKey 
                    services.remove(datumKey);

                    int count = 0;

                    if (!listeners.containsKey(datumKey)) {
                        continue;
                    }

                    for (RecordListener listener : listeners.get(datumKey)) {
                        count++;
                        try {
                        	// Change 事件
                            if (action == ApplyAction.CHANGE) {
                                listener.onChange(datumKey, dataStore.get(datumKey).value);
                                continue;
                            }
							// Delete 事件
                            if (action == ApplyAction.DELETE) {
                                listener.onDelete(datumKey);
                                continue;
                            }
                        } catch (Throwable e) {
                            Loggers.DISTRO.error("[NACOS-DISTRO] error while notifying listener of key: {}", datumKey, e);
                        }
                    }

                    if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled()) {
                        Loggers.DISTRO.debug("[NACOS-DISTRO] datum change notified, key: {}, listener count: {}, action: {}",
                            datumKey, count, action.name());
                    }
                } catch (Throwable e) {
                    Loggers.DISTRO.error("[NACOS-DISTRO] Error while handling notifying task", e);
                }
            }
        }
    }
}

2.1.4 put(String key, Record value) 方法

我们主要看一下其中的事务处理方法,以 put(String key, Record value) 方法为例,其他的(如remove(String key)) 类似,这里不做过多分析。

@org.springframework.stereotype.Service("distroConsistencyService")
public class DistroConsistencyServiceImpl implements EphemeralConsistencyService {
	@Override
    public void put(String key, Record value) throws NacosException {
        onPut(key, value);
        // 添加当前key 数据同步任务
        taskDispatcher.addTask(key);
    }

	public void onPut(String key, Record value) {
		// 判断是否为临时实例列表键,以 com.alibaba.nacos.naming.iplist.ephemeral. 开头
        if (KeyBuilder.matchEphemeralInstanceListKey(key)) {
            Datum<Instances> datum = new Datum<>();
            datum.value = (Instances) value;
            datum.key = key;
            datum.timestamp.incrementAndGet();
            // 缓存
            dataStore.put(key, datum);
        }

        if (!listeners.containsKey(key)) {
            return;
        }
        
		// 发送Change 事件
        notifier.addTask(key, ApplyAction.CHANGE);
    }
}

2.1.5 TaskDispatcher

数据同步任务调度器。

@Component
public class TaskDispatcher {
	// 全局配置对象
    @Autowired
    private GlobalConfig partitionConfig;

	// 数据同步器
    @Autowired
    private DataSyncer dataSyncer;
	// 任务调度列表
    private List<TaskScheduler> taskSchedulerList = new ArrayList<>();
	// cpu核心数
    private final int cpuCoreCount = Runtime.getRuntime().availableProcessors();

    @PostConstruct
    public void init() { 
    	// 初始化 taskSchedulerList 任务调度列表
        for (int i = 0; i < cpuCoreCount; i++) {
            TaskScheduler taskScheduler = new TaskScheduler(i);
            taskSchedulerList.add(taskScheduler);
            GlobalExecutor.submitTaskDispatch(taskScheduler);
        }
    }

    public void addTask(String key) {
    	// UtilsAndCommons.shakeUp(key, cpuCoreCount):一种散列算法,根据key获取一个均匀分布在 0~cpuCoreCount 之间的数字
    	// TaskScheduler.addTask 添加任务:生产者消费者模式,生成任务
        taskSchedulerList.get(UtilsAndCommons.shakeUp(key, cpuCoreCount)).addTask(key);
    }

    public class TaskScheduler implements Runnable {

        private int index;

        private int dataSize = 0;

        private long lastDispatchTime = 0L;

        private BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>(128 * 1024);

        public TaskScheduler(int index) {
            this.index = index;
        }

        public void addTask(String key) {
            queue.offer(key);
        }

        public int getIndex() {
            return index;
        }

        @Override
        public void run() {

            List<String> keys = new ArrayList<>();
            // 死循环,生产者消费者模式,消费任务
            while (true) {
                try {
                	// 获取key:带超时时间
                    String key = queue.poll(partitionConfig.getTaskDispatchPeriod(),
                        TimeUnit.MILLISECONDS);

                    if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled() && StringUtils.isNotBlank(key)) {
                        Loggers.DISTRO.debug("got key: {}", key);
                    }

                    if (dataSyncer.getServers() == null || dataSyncer.getServers().isEmpty()) {
                        continue;
                    }

                    if (StringUtils.isBlank(key)) {
                        continue;
                    }

                    if (dataSize == 0) {
                        keys = new ArrayList<>();
                    }

                    keys.add(key);
                    dataSize++;

					// dataSize == 批量同步key || 当前时间 - 最后同步时间 > 任务调度周期
					// dataSize == partitionConfig.getBatchSyncKeyCount():控制最大能同时处理的同步key数量
                    if (dataSize == partitionConfig.getBatchSyncKeyCount() ||
                        (System.currentTimeMillis() - lastDispatchTime) > partitionConfig.getTaskDispatchPeriod()) {

						// 遍历所有服务
                        for (Server member : dataSyncer.getServers()) {
                        	// 剔除当前服务
                            if (NetUtils.localServer().equals(member.getKey())) {
                                continue;
                            }
                            
                            // 同步任务
                            SyncTask syncTask = new SyncTask();
                            syncTask.setKeys(keys);
                            syncTask.setTargetServer(member.getKey());

                            if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled() && StringUtils.isNotBlank(key)) {
                                Loggers.DISTRO.debug("add sync task: {}", JSON.toJSONString(syncTask));
                            }
                            
							// 提交数据同步任务
                            dataSyncer.submit(syncTask, 0);
                        }
                        // 更新最后同步时间
                        lastDispatchTime = System.currentTimeMillis();
                        // 重置dataSize 
                        dataSize = 0;
                    }

                } catch (Exception e) {
                    Loggers.DISTRO.error("dispatch sync task failed.", e);
                }
            }
        }
    }
}

2.1.6 DataSyncer

数据同步处理器。

@Component
@DependsOn("serverListManager")
public class DataSyncer {

    @Autowired
    private DataStore dataStore;

    @Autowired
    private GlobalConfig partitionConfig;

    @Autowired
    private Serializer serializer;

    @Autowired
    private DistroMapper distroMapper;

    @Autowired
    private ServerListManager serverListManager;

    private Map<String, String> taskMap = new ConcurrentHashMap<>();

    @PostConstruct
    public void init() {
    	// 开启 定时同步
        startTimedSync();
    }

    public void submit(SyncTask task, long delay) {
        // If it's a new task:
        // 判断是否为新的任务:重试次数 == 0
        if (task.getRetryCount() == 0) {
            Iterator<String> iterator = task.getKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                String key = iterator.next();
                if (StringUtils.isNotBlank(taskMap.putIfAbsent(buildKey(key, task.getTargetServer()), key))) {
                    // associated key already exist:
                    if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled()) {
                        Loggers.DISTRO.debug("sync already in process, key: {}", key);
                    }
                    // 避免重复同步:去除重复请求
                    iterator.remove();
                }
            }
        }

        if (task.getKeys().isEmpty()) {
            // all keys are removed:
            return;
        }

        GlobalExecutor.submitDataSync(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                try {
                    if (getServers() == null || getServers().isEmpty()) {
                        Loggers.SRV_LOG.warn("try to sync data but server list is empty.");
                        return;
                    }

					// 获取所有需要同步的key
                    List<String> keys = task.getKeys();

                    if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled()) {
                        Loggers.DISTRO.debug("sync keys: {}", keys);
                    }

					// 根据key获取Datum
                    Map<String, Datum> datumMap = dataStore.batchGet(keys);

                    if (datumMap == null || datumMap.isEmpty()) {
                        // clear all flags of this task:
                        for (String key : task.getKeys()) {
                            taskMap.remove(buildKey(key, task.getTargetServer()));
                        }
                        return;
                    }

					// 序列化
                    byte[] data = serializer.serialize(datumMap);

                    long timestamp = System.currentTimeMillis();
                    // 发送数据同步请求:/v1/ns/distro/datum
                    boolean success = NamingProxy.syncData(data, task.getTargetServer());
                    if (!success) {
                        SyncTask syncTask = new SyncTask();
                        syncTask.setKeys(task.getKeys());
                        syncTask.setRetryCount(task.getRetryCount() + 1);
                        syncTask.setLastExecuteTime(timestamp);
                        syncTask.setTargetServer(task.getTargetServer());
						// 异常重试
                        retrySync(syncTask);
                    } else {
                        // clear all flags of this task:
                        for (String key : task.getKeys()) {
                            taskMap.remove(buildKey(key, task.getTargetServer()));
                        }
                    }

                } catch (Exception e) {
                    Loggers.DISTRO.error("sync data failed.", e);
                }
            }
        }, delay);
    }

	// 异常重试
    public void retrySync(SyncTask syncTask) {
        Server server = new Server();
        server.setIp(syncTask.getTargetServer().split(":")[0]);
        server.setServePort(Integer.parseInt(syncTask.getTargetServer().split(":")[1]));
        if (!getServers().contains(server)) {
            // if server is no longer in healthy server list, ignore this task:
            return;
        }

        // TODO may choose other retry policy.
        // 重试,默认 5s 后重试
        submit(syncTask, partitionConfig.getSyncRetryDelay());
    }

    public void startTimedSync() {
        GlobalExecutor.schedulePartitionDataTimedSync(new TimedSync());
    }

	// 定时同步线程
    public class TimedSync implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            try {
                if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled()) {
                    Loggers.DISTRO.debug("server list is: {}", getServers());
                }

                // send local timestamps to other servers:
                Map<String, String> keyChecksums = new HashMap<>(64);
                for (String key : dataStore.keys()) {
                    if (!distroMapper.responsible(KeyBuilder.getServiceName(key))) {
                        continue;
                    }
					// 添加 checksum
                    keyChecksums.put(key, dataStore.get(key).value.getChecksum());
                }

                if (keyChecksums.isEmpty()) {
                    return;
                }

                if (Loggers.DISTRO.isDebugEnabled()) {
                    Loggers.DISTRO.debug("sync checksums: {}", keyChecksums);
                }

                for (Server member : getServers()) {
                	// 剔除当前服务
                    if (NetUtils.localServer().equals(member.getKey())) {
                        continue;
                    }
                    // 同步 checksum,发送 /v1/ns/distro/checksum?source=NetUtils.localServer()
                    NamingProxy.syncCheckSums(keyChecksums, member.getKey());
                }
            } catch (Exception e) {
                Loggers.DISTRO.error("timed sync task failed.", e);
            }
        }
    }

    public List<Server> getServers() {
        return serverListManager.getHealthyServers();
    }

    public String buildKey(String key, String targetServer) {
        return key + UtilsAndCommons.CACHE_KEY_SPLITER + targetServer;
    }
}

2.1.7 Nacos 分区一致性算法总结

在这里插入图片描述

2.2 RaftConsistencyServiceImpl

RaftConsistencyServiceImpl 为 PersistentConsistencyService 的唯一实现,如下:
在这里插入图片描述

RaftConsistencyServiceImpl 持久化节点一致性协议采用 Raft算法 实现, 保证已发布数据的 CP 一致性的一致性协议。

2.2.1 Raft算法

Raft 算法主要作用:

  • 服务启动时,选举出集群中的 Leader节点
  • 崩溃恢复,Leader节点挂掉后,从所有 Follower 节点中选举出新的 Leader
  • 数据一致性,Leader 节点处理事务请求,Follower 只处理非事务请求,如果接受到事务请求,将当前请求转发给Leader,由Leader处理后,同步给Follower节点。

Raft算法的Leader选举核心思想:先到先得,少数服从多数。

下面简单说明一下 Raft 算法在服务启动时,选举 Leader 的过程,其中 Node 代表节点,Term 代表选举周期

周期的含义:服务每选举一轮,为一个周期

1.当所有服务启动后,每个服务会随机生成一个 Leader 选举开始倒计时(下图红色框框中的部分)。
在这里插入图片描述
2.当集群中存在倒计时为0的节点时,它会进入一个候选状态,例如下面的Node B节点。
在这里插入图片描述
3.候选节点会首先发起Leader投票(先到先得)
在这里插入图片描述
4.其他节点接收到投票消息后,会返回一个信息给候选节点。
在这里插入图片描述
5.当某个候选节点,收到Leader选举票数大于当前集群总节点的 1/2 时,它会变成 Leader 节点,其他节点变成 Follower 节点(少数服从多数)。
在这里插入图片描述
6. Leader节点需要每隔一段时间,向 Follower 发送一个心跳包,维持心跳。
在这里插入图片描述
7. Follower 节点会开启一个心跳倒计时,在倒计时时间内,如果收到心跳,返回给Leader,并重新开始倒计时;如果倒计时时间内,没有收到心跳,会主动向 Leade r节点发送请求,判断当前 Leader 是否宕机,如果宕机,开始新的 Leader 选举。
在这里插入图片描述
当集群中存在 Leader 节点宕机后,还是会重复上面 1-7 类似步骤,选举出新的 Leader 节点。

2.2.2 Nacos中Raft算法的具体实现

RaftConsistencyServiceImpl 持久化节点一致性协议采用 Raft算法 实现, 保证已发布数据的 CP 一致性的一致性协议。

核心逻辑如下:

@Service
public class RaftConsistencyServiceImpl implements PersistentConsistencyService {
	
	/**
	 * Raft 核心实现
	 */
    @Autowired
    private RaftCore raftCore;

	/**
	 * Raft Leader选举核心实现
	 */
    @Autowired
    private RaftPeerSet peers;

	/**
	 * 开关
	 */
    @Autowired
    private SwitchDomain switchDomain;

    @Override
    public void put(String key, Record value) throws NacosException {
        try {
        	// 转发事务消息给Leader进行处理:服务发布
            raftCore.signalPublish(key, value);
        } catch (Exception e) {
            Loggers.RAFT.error("Raft put failed.", e);
            throw new NacosException(NacosException.SERVER_ERROR, "Raft put failed, key:" + key + ", value:" + value, e);
        }
    }

    @Override
    public void remove(String key) throws NacosException {
        try {
        	// 判断要删除的key是否为匹配实例列表key(以com.alibaba.nacos.naming.iplist. 或 iplist. 开始)
        	// 如果是,并且当前节点不是Leader
            if (KeyBuilder.matchInstanceListKey(key) && !raftCore.isLeader()) {
                Datum datum = new Datum();
                datum.key = key;
                // 直接本地删除
                raftCore.onDelete(datum.key, peers.getLeader());
                // 删除对应所有监听
                raftCore.unlistenAll(key);
                return;
            }
            // 转发事务消息给Leader进行处理:服务剔除
            raftCore.signalDelete(key);
            // 删除对应所有监听
            raftCore.unlistenAll(key);
        } catch (Exception e) {
            Loggers.RAFT.error("Raft remove failed.", e);
            throw new NacosException(NacosException.SERVER_ERROR, "Raft remove failed, key:" + key, e);
        }
    }

    @Override
    public Datum get(String key) throws NacosException {
    	// get
        return raftCore.getDatum(key);
    }

    @Override
    public void listen(String key, RecordListener listener) throws NacosException {
    	// 给当前key添加listener
        raftCore.listen(key, listener);
    }

    @Override
    public void unlisten(String key, RecordListener listener) throws NacosException {
    	// 取消当前key的listener
        raftCore.unlisten(key, listener);
    }

    @Override
    public boolean isAvailable() {
    	// 是否可用
        return raftCore.isInitialized() || ServerStatus.UP.name().equals(switchDomain.getOverriddenServerStatus());
    }

    public void onPut(Datum datum, RaftPeer source) throws NacosException {
        try {
        	// 本地发布
            raftCore.onPublish(datum, source);
        } catch (Exception e) {
            Loggers.RAFT.error("Raft onPut failed.", e);
            throw new NacosException(NacosException.SERVER_ERROR, "Raft onPut failed, datum:" + datum + ", source: " + source, e);
        }
    }

    public void onRemove(Datum datum, RaftPeer source) throws NacosException {
        try {
        	// 本地剔除
            raftCore.onDelete(datum.key, source);
        } catch (Exception e) {
            Loggers.RAFT.error("Raft onRemove failed.", e);
            throw new NacosException(NacosException.SERVER_ERROR, "Raft onRemove failed, datum:" + datum + ", source: " + source, e);
        }
    }
}

可以看出,Raft的核心实现有两个类,一个是RaftCore,一个是RaftPeerSet,作用分别是:

  • RaftPeerSet:Raft Leader选举核心实现
  • RaftCore:Raft 核心实现

2.2.2.1 RaftPeerSet(Leader选举)

该类主要职责是进行Raft Leader选举,主要包括两个场景:

  1. 服务启动过程中 Leader 选举;
  2. Leader 出现宕机后,选举出新的 Leader;

RaftPeerSet类关系图如下:
在这里插入图片描述

  • ServerChangeListener:监听服务列表变化
  • @DependsOn(“serverListManager”):在进行注入的时候,先加载serverListManager后,再加载当前实例
  • ApplicationContextAware:获取 ApplicationContext 对象
  • @Component:注入到Spring IoC容器中

下面我们具体看一下代码实现。

@Component
@DependsOn("serverListManager")
public class RaftPeerSet implements ServerChangeListener, ApplicationContextAware {

	// 服务器列表管理器
    @Autowired
    private ServerListManager serverListManager;

	// Spring应用上下文
    private ApplicationContext applicationContext;

	// Raft选举本地Term
    private AtomicLong localTerm = new AtomicLong(0L);

	// 集群Leader
    private RaftPeer leader = null;

	// 集群中所有Leader、Follower对象集合
	// key -> ip     value  ->  Raft选举对象
    private Map<String, RaftPeer> peers = new HashMap<>();

    private Set<String> sites = new HashSet<>();

	// 是否可读,port > 0
    private boolean ready = false;

    public RaftPeerSet() {

    }

    @Override
    public void setApplicationContext(ApplicationContext applicationContext) throws BeansException {
        this.applicationContext = applicationContext;
    }

    @PostConstruct
    public void init() {
    	// 初始化:将当前Listener添加到 ServerListManager 中的列表监听,用于实时监听服务列表变化
        serverListManager.listen(this);
    }

	// 获取Leader对象
    public RaftPeer getLeader() {
    	// 是否为单机模式,通过 nacos.standalone 配置true/false
        if (STANDALONE_MODE) {
        	// 返回当前对象
            return local();
        }
        // 返回 Leader 对象
        return leader;
    }

    public Set<String> allSites() {
        return sites;
    }

    public boolean isReady() {
        return ready;
    }

	// 移除服务
    public void remove(List<String> servers) {
        for (String server : servers) {
            peers.remove(server);
        }
    }

	// 修改服务
    public RaftPeer update(RaftPeer peer) {
        peers.put(peer.ip, peer);
        return peer;
    }

	/**
	 * 是否为Leader
	 */
    public boolean isLeader(String ip) {
        if (STANDALONE_MODE) {
    		// 单机模式,直接返回true
            return true;
        }

		// Leader对象为空,直接返回false
        if (leader == null) {
            Loggers.RAFT.warn("[IS LEADER] no leader is available now!");
            return false;
        }

		// 判断当前ip是否与Leader ip相等
        return StringUtils.equals(leader.ip, ip);
    }

	// 获取包括当前服务的所有服务ip
    public Set<String> allServersIncludeMyself() {
        return peers.keySet();
    }

	// 获取派出当前服务的所有服务ip
    public Set<String> allServersWithoutMySelf() {
        Set<String> servers = new HashSet<String>(peers.keySet());

        // exclude myself
        servers.remove(local().ip);

        return servers;
    }

	// 获取集群中所有服务对象
    public Collection<RaftPeer> allPeers() {
        return peers.values();
    }

	// 大小
    public int size() {
        return peers.size();
    }

	/**
     * Leader选举:在进行服务启动时,Leader选举开始时间倒计时为0后,调用当前方法,向除当前本地服务所有服务发起投票(通过Http)
     * 具体逻辑详看下面的 RaftCore MasterElection过程
     * 
     * @param candidate 候选者(投票-投候选者)
     * @return
     */
    public RaftPeer decideLeader(RaftPeer candidate) {
        peers.put(candidate.ip, candidate);

		// 分拣袋:用于统计各个候选者投票次数,类似于生活中的“画正字”
        SortedBag ips = new TreeBag();
        // 最大票数
        int maxApproveCount = 0;
        // 最大票数拥有者
        String maxApprovePeer = null;
        for (RaftPeer peer : peers.values()) {
        	// 1.判断当前RaftPeer voteFor(当前RaftPeer的投票对象ip) 是否为空
            if (StringUtils.isEmpty(peer.voteFor)) {
                continue;
            }

			// 存在投票者
			// 2. 添加投票
            ips.add(peer.voteFor);
            
            // 3. 更新最大票数、最大票数拥有者
            if (ips.getCount(peer.voteFor) > maxApproveCount) {
                maxApproveCount = ips.getCount(peer.voteFor);
                maxApprovePeer = peer.voteFor;
            }
        }

		// 判断最大票数是否大于 peers.size() / 2 + 1 ,即集群中节点个数的 二分之一 + 1
        if (maxApproveCount >= majorityCount()) {
        	// 设置Leader
            RaftPeer peer = peers.get(maxApprovePeer);
            peer.state = RaftPeer.State.LEADER;

            if (!Objects.equals(leader, peer)) {
        		// 设置Leader
                leader = peer;
                // 发送Leader选举完成事件
                applicationContext.publishEvent(new LeaderElectFinishedEvent(this, leader));
                Loggers.RAFT.info("{} has become the LEADER", leader.ip);
            }
        }

        return leader;
    }

	/**
     * 决定 or 设置Leader:candidate候选者-当前集群Leader对象
     * @param candidate
     * @return
     */
    public RaftPeer makeLeader(RaftPeer candidate) {
        if (!Objects.equals(leader, candidate)) {
            leader = candidate;
            // 发送决定出Leader事件
            applicationContext.publishEvent(new MakeLeaderEvent(this, leader));
            Loggers.RAFT.info("{} has become the LEADER, local: {}, leader: {}",
                leader.ip, JSON.toJSONString(local()), JSON.toJSONString(leader));
        }

        for (final RaftPeer peer : peers.values()) {
            Map<String, String> params = new HashMap<>(1);
            if (!Objects.equals(peer, candidate) && peer.state == RaftPeer.State.LEADER) {
            	// 当前RaftPeer 不是Leader,并且当前RaftPeer 对象的状态为Leader状态,需要更新为Follower
                try {
                	// url = /v1/ns/raft/peer
                    String url = RaftCore.buildURL(peer.ip, RaftCore.API_GET_PEER);
                    // 异步请求:发送 /v1/ns/raft/peer 判断当前对象是否为Leader对象
                    HttpClient.asyncHttpGet(url, null, params, new AsyncCompletionHandler<Integer>() {
                        @Override
                        public Integer onCompleted(Response response) throws Exception {
                        	// 如果不是Leader对象,更新状态为Follower
                            if (response.getStatusCode() != HttpURLConnection.HTTP_OK) {
                                Loggers.RAFT.error("[NACOS-RAFT] get peer failed: {}, peer: {}",
                                    response.getResponseBody(), peer.ip);
                                peer.state = RaftPeer.State.FOLLOWER;
                                return 1;
                            }
							
							// 更新结果状态
                            update(JSON.parseObject(response.getResponseBody(), RaftPeer.class));

                            return 0;
                        }
                    });
                } catch (Exception e) {
                    peer.state = RaftPeer.State.FOLLOWER;
                    Loggers.RAFT.error("[NACOS-RAFT] error while getting peer from peer: {}", peer.ip);
                }
            }
        }
        
		// 更新结果状态
        return update(candidate);
    }

	// 获取当前服务所属的RaftPeer对象
    public RaftPeer local() {
        RaftPeer peer = peers.get(NetUtils.localServer());

		// peer为空,并且为单机模式,创建一个RaftPeer 并放入 peers 缓存中
        if (peer == null && SystemUtils.STANDALONE_MODE) {
            RaftPeer localPeer = new RaftPeer();
            localPeer.ip = NetUtils.localServer();
            localPeer.term.set(localTerm.get());
            peers.put(localPeer.ip, localPeer);
            return localPeer;
        }
        if (peer == null) {
            throw new IllegalStateException("unable to find local peer: " + NetUtils.localServer() + ", all peers: "
                + Arrays.toString(peers.keySet().toArray()));
        }

        return peer;
    }

	// 根据ip获取RaftPeer 对象
    public RaftPeer get(String server) {
        return peers.get(server);
    }

	// Raft投票决策出Leader的值:集群节点的二分之一 + 1
    public int majorityCount() {
        return peers.size() / 2 + 1;
    }

	// 重置:重置Leader、所有voteFor
    public void reset() {
    	// 重置Leader
        leader = null;
        // 重置所有voteFor
        for (RaftPeer peer : peers.values()) {
            peer.voteFor = null;
        }
    }

	// 设置Raft选举过程中的Term(周期)
    public void setTerm(long term) {
        localTerm.set(term);
    }

	// 获取Raft选举过程中的Term(周期)
    public long getTerm() {
        return localTerm.get();
    }

    public boolean contains(RaftPeer remote) {
        return peers.containsKey(remote.ip);
    }

	/**
     * 监听处理集群服务节点变化
     * 
     * @param latestMembers 最新的Server
     */
    @Override
    public void onChangeServerList(List<Server> latestMembers) {

        Map<String, RaftPeer> tmpPeers = new HashMap<>(8);
        for (Server member : latestMembers) {

            if (peers.containsKey(member.getKey())) {
                tmpPeers.put(member.getKey(), peers.get(member.getKey()));
                continue;
            }

            RaftPeer raftPeer = new RaftPeer();
            raftPeer.ip = member.getKey();

            // first time meet the local server:
            if (NetUtils.localServer().equals(member.getKey())) {
                raftPeer.term.set(localTerm.get());
            }

            tmpPeers.put(member.getKey(), raftPeer);
        }

        // replace raft peer set:
        peers = tmpPeers;

        if (RunningConfig.getServerPort() > 0) {
            ready = true;
        }

        Loggers.RAFT.info("raft peers changed: " + latestMembers);
    }

    @Override
    public void onChangeHealthyServerList(List<Server> latestReachableMembers) {

    }
}

2.2.2.2 RaftCore

Nacos集群中Raft算法的核心实现,包括Leader选举、事务转发Leader等功能。下面会讲解一下其中的核心逻辑。

1. RaftCore init()
@Component
public class RaftCore {
	@PostConstruct
    public void init() throws Exception {
        Loggers.RAFT.info("initializing Raft sub-system");
		// 执行一个 Notifier 线程:后面分析
        executor.submit(notifier);

        long start = System.currentTimeMillis();
		// 加载基础数据
		// user.home + /nacos/data/naming/data
        raftStore.loadDatums(notifier, datums);

		// 初始化当前节点Leader选举Term(周期)
        setTerm(NumberUtils.toLong(raftStore.loadMeta().getProperty("term"), 0L));

        Loggers.RAFT.info("cache loaded, datum count: {}, current term: {}", datums.size(), peers.getTerm());

		// 等待 Notifier 线程执行完成
        while (true) {
            if (notifier.tasks.size() <= 0) {
                break;
            }
            Thread.sleep(1000L);
        }

		// 初始化
        initialized = true;

        Loggers.RAFT.info("finish to load data from disk, cost: {} ms.", (System.currentTimeMillis() - start));

		// 开启一个Leader选举线程:
		// executorService.scheduleAtFixedRate(new MasterElection(), 0, 500L, TimeUnit.MILLISECONDS);
        GlobalExecutor.registerMasterElection(new MasterElection());
        
        // 开启一个心跳检查线程
        // executorService.scheduleWithFixedDelay(runnable, 0, 500L, TimeUnit.MILLISECONDS);
        GlobalExecutor.registerHeartbeat(new HeartBeat());

        Loggers.RAFT.info("timer started: leader timeout ms: {}, heart-beat timeout ms: {}",
            GlobalExecutor.LEADER_TIMEOUT_MS, GlobalExecutor.HEARTBEAT_INTERVAL_MS);
    }
}
2. Notifier 线程(事件监听)

Notifier 为 RaftCore 的一个内部类,用于实现事件监听机制,完成数据变更/删除通知所有Lisenter。

Notifier 采用了生产者消费者模式,通过 BlockingQueue<Pair> tasks 阻塞队列,完成生产 / 消费。

public class RaftCore {
	// 当前RaftCore 所有数据监听Listener
    private volatile Map<String, List<RecordListener>> listeners = new ConcurrentHashMap<>();

    public class Notifier implements Runnable {

        private ConcurrentHashMap<String, String> services = new ConcurrentHashMap<>(10 * 1024);

        private BlockingQueue<Pair> tasks = new LinkedBlockingQueue<>(1024 * 1024);

        public void addTask(String datumKey, ApplyAction action) {
			// 判断是否已经处理过当前 datumKey,并且 action == ApplyAction.CHANGE,避免重复处理
            if (services.containsKey(datumKey) && action == ApplyAction.CHANGE) {
                return;
            }
            // 添加
            if (action == ApplyAction.CHANGE) {
                services.put(datumKey, StringUtils.EMPTY);
            }

            Loggers.RAFT.info("add task {}", datumKey);
			// 生产者消费者模式:生产任务
            tasks.add(Pair.with(datumKey, action));
        }

        public int getTaskSize() {
            return tasks.size();
        }

        @Override
        public void run() {
            Loggers.RAFT.info("raft notifier started");
			// 死循环:生产者消费者模式,消费任务
            while (true) {
                try {
					// 如果阻塞队列为空,阻塞
                    Pair pair = tasks.take();

                    if (pair == null) {
                        continue;
                    }

                    String datumKey = (String) pair.getValue0();
                    ApplyAction action = (ApplyAction) pair.getValue1();
					// 移出当前datumKey 
                    services.remove(datumKey);

                    Loggers.RAFT.info("remove task {}", datumKey);

                    int count = 0;

					// listeners中存在key为:com.alibaba.nacos.naming.domains.meta.
                    if (listeners.containsKey(KeyBuilder.SERVICE_META_KEY_PREFIX)) {
						// KeyBuilder.matchServiceMetaKey(datumKey):是否以 com.alibaba.nacos.naming.domains.meta. 或 meta. 开头
						// !KeyBuilder.matchSwitchKey(datumKey):不以 00-00---000-NACOS_SWITCH_DOMAIN-000---00-00 结尾
                        if (KeyBuilder.matchServiceMetaKey(datumKey) && !KeyBuilder.matchSwitchKey(datumKey)) {
							// listeners.get("com.alibaba.nacos.naming.domains.meta.")
                            for (RecordListener listener : listeners.get(KeyBuilder.SERVICE_META_KEY_PREFIX)) {
                                try {
                                	// 数据变更事件
                                    if (action == ApplyAction.CHANGE) {
                                        listener.onChange(datumKey, getDatum(datumKey).value);
                                    }
                                    
									// 数据删除事件
                                    if (action == ApplyAction.DELETE) {
                                        listener.onDelete(datumKey);
                                    }
                                } catch (Throwable e) {
                                    Loggers.RAFT.error("[NACOS-RAFT] error while notifying listener of key: {}", datumKey, e);
                                }
                            }
                        }
                    }
					
                    if (!listeners.containsKey(datumKey)) {
						// 不存在当前datumKey
                        continue;
                    }

					// 遍历通知
                    for (RecordListener listener : listeners.get(datumKey)) {
                        count++;
                        try {
                            // 数据变更事件
                            if (action == ApplyAction.CHANGE) {
                                listener.onChange(datumKey, getDatum(datumKey).value);
                                continue;
                            }

							// 数据删除事件
                            if (action == ApplyAction.DELETE) {
                                listener.onDelete(datumKey);
                                continue;
                            }
                        } catch (Throwable e) {
                            Loggers.RAFT.error("[NACOS-RAFT] error while notifying listener of key: {}", datumKey, e);
                        }
                    }

                    if (Loggers.RAFT.isDebugEnabled()) {
                        Loggers.RAFT.debug("[NACOS-RAFT] datum change notified, key: {}, listener count: {}", datumKey, count);
                    }
                } catch (Throwable e) {
                    Loggers.RAFT.error("[NACOS-RAFT] Error while handling notifying task", e);
                }
            }
        }
    }
}
3. MasterElection 线程(投票选举)

用于选举出Nacos集群中的Leader节点。

每隔 500L 执行一次。

public class RaftCore {
    public class MasterElection implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {

                if (!peers.isReady()) {
                    return;
                }

                RaftPeer local = peers.local();
                // local.leaderDueMs -= 500L;
                local.leaderDueMs -= GlobalExecutor.TICK_PERIOD_MS;

				// 判断当前节点Leader选举倒计时是否已经结束
                if (local.leaderDueMs > 0) {
                	// 没有结束,等待下一个500L执行,再判断
                    return;
                }

				/***********当前节点Leader选举倒计时结束,开始选举Leader***********/

                // reset timeout
                // 重置 leaderDueMs = 15s - (0~5s),leaderDueMs 范围为 10s ~ 15s
                local.resetLeaderDue();
                // 重置 heartbeatDueMs 心跳倒计时时间:选举出Leader后,Leader 和 Follower 需要维持一个心跳
                // 如果心跳超时,需要检查Leader是否宕机,如果宕机,开始新一轮Leader选举
                local.resetHeartbeatDue();

				// 发送投票:开始Leader选举
                sendVote();
            } catch (Exception e) {
                Loggers.RAFT.warn("[RAFT] error while master election {}", e);
            }
        }

		// 发送投票:开始Leader选举
        public void sendVote() {
        	// 获取当前服务 RaftPeer 对象
            RaftPeer local = peers.get(NetUtils.localServer());
            Loggers.RAFT.info("leader timeout, start voting,leader: {}, term: {}",
                JSON.toJSONString(getLeader()), local.term);
			
			// 重置集群 leader=null
			// 重置集群节点投票对象 RaftPeer.voteFor = null
            peers.reset();

			// 选举term(周期) +1
            local.term.incrementAndGet();
            // 先投自己
            local.voteFor = local.ip;
            // 标记自己为候选者(Candidate)状态
            local.state = RaftPeer.State.CANDIDATE;

            Map<String, String> params = new HashMap<>(1);
            params.put("vote", JSON.toJSONString(local));

			// 向除当前节点其他所有节点发送投票:投当前节点
            for (final String server : peers.allServersWithoutMySelf()) {
            	// url = "http://" + ip + RunningConfig.getContextPath() + /v1/ns/raft/vote
                final String url = buildURL(server, API_VOTE);
                try {
                	// 异步请求
                    HttpClient.asyncHttpPost(url, null, params, new AsyncCompletionHandler<Integer>() {
                        @Override
                        public Integer onCompleted(Response response) throws Exception {
                        	/*******处理/v1/ns/raft/vote 请求结果********/
                        	
                        	// 异常直接return
                            if (response.getStatusCode() != HttpURLConnection.HTTP_OK) {
                                Loggers.RAFT.error("NACOS-RAFT vote failed: {}, url: {}", response.getResponseBody(), url);
                                return 1;
                            }

							// 获取投票结果
                            RaftPeer peer = JSON.parseObject(response.getResponseBody(), RaftPeer.class);

                            Loggers.RAFT.info("received approve from peer: {}", JSON.toJSONString(peer));
							
							// 根据投票结果,进行Leader选举:方法详解参照 2.2.2.1 RaftPeerSet(Leader选举)
                            peers.decideLeader(peer);

                            return 0;
                        }
                    });
                } catch (Exception e) {
                    Loggers.RAFT.warn("error while sending vote to server: {}", server);
                }
            }
        }
    }
}

在 MasterElection 线程中,会向其他节点发送一个投票请求(/v1/ns/raft/vote),服务收到请求后,最终会调用 RaftCore 中的 RaftPeer receivedVote(RaftPeer remote) 方法,将当前服务节点投票结果发送给请求节点,具体处理逻辑如下:

@Component
public class RaftCore {

    /**
     * 收到投票
     * @param remote 远程 RaftPeer
     * @return
     */
	public RaftPeer receivedVote(RaftPeer remote) {
		// 判断远程 RaftPeer 是否存在当前 peers中,不存在,抛异常
        if (!peers.contains(remote)) {
            throw new IllegalStateException("can not find peer: " + remote.ip);
        }

		// 获取当前服务节点RaftPeer
        RaftPeer local = peers.get(NetUtils.localServer());

		// 先比较选举周期term大小:以term大的为准
		// 相对也选举自己
        if (remote.term.get() <= local.term.get()) {
            String msg = "received illegitimate vote" +
                ", voter-term:" + remote.term + ", votee-term:" + local.term;

            Loggers.RAFT.info(msg);
            if (StringUtils.isEmpty(local.voteFor)) {
                local.voteFor = local.ip;
            }

            return local;
        }
		// 否则,接收远程RaftPeer投票

		// 重置 leaderDueMs = 15s - (0~5s),leaderDueMs 范围为 10s ~ 15s
        local.resetLeaderDue();

		// 设置当前节点为 Follower
        local.state = RaftPeer.State.FOLLOWER;
        // 设置当前节点投票对象为 remote.ip
        local.voteFor = remote.ip;
        // 设置当前节点投票周期term为远程term
        local.term.set(remote.term.get());

        Loggers.RAFT.info("vote {} as leader, term: {}", remote.ip, remote.term);

        return local;
    }
}
4. HeartBeat 线程(心跳检测)

HeartBeat 用于Nacos集群中,Leader 节点发送心跳包给 Follower 节点,维持心跳。

@Component
public class RaftCore {

    public class HeartBeat implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {

                if (!peers.isReady()) {
                    return;
                }

				// 获取当前服务RaftPeer
                RaftPeer local = peers.local();
                // local.heartbeatDueMs -= 500ms;
                local.heartbeatDueMs -= GlobalExecutor.TICK_PERIOD_MS;
                if (local.heartbeatDueMs > 0) {
                    return;
                }

                // 重置 heartbeatDueMs 心跳倒计时时间:选举出Leader后,Leader 和 Follower 需要维持一个心跳
                // 如果心跳超时,需要检查Leader是否宕机,如果宕机,开始新一轮Leader选举
                local.resetHeartbeatDue();

				// 发送心跳包:Leader节点向其他Follower节点发送心跳包
                sendBeat();
            } catch (Exception e) {
                Loggers.RAFT.warn("[RAFT] error while sending beat {}", e);
            }

        }

		// 发送心跳包:Leader节点向其他Follower节点发送心跳包
        public void sendBeat() throws IOException, InterruptedException {
            RaftPeer local = peers.local();
            // 只有当前节点为Leader节点,并且为集群模式,才需要向其他Follower节点发送心跳包
            if (local.state != RaftPeer.State.LEADER && !STANDALONE_MODE) {
                return;
            }

            if (Loggers.RAFT.isDebugEnabled()) {
                Loggers.RAFT.debug("[RAFT] send beat with {} keys.", datums.size());
            }

            // 重置当前服务集群选举倒计时 leaderDueMs:保证心跳正常,不再重新开始选举
            // leaderDueMs = 15s - (0~5s),leaderDueMs 范围为 10s ~ 15s
            local.resetLeaderDue();

            // build data
            // 心跳包
            JSONObject packet = new JSONObject();
            packet.put("peer", local);

            JSONArray array = new JSONArray();

			// 是否只发送心跳包:默认false
            if (switchDomain.isSendBeatOnly()) {
                Loggers.RAFT.info("[SEND-BEAT-ONLY] {}", String.valueOf(switchDomain.isSendBeatOnly()));
            }

            if (!switchDomain.isSendBeatOnly()) {
                for (Datum datum : datums.values()) {

                    JSONObject element = new JSONObject();

                    if (KeyBuilder.matchServiceMetaKey(datum.key)) {
                        element.put("key", KeyBuilder.briefServiceMetaKey(datum.key));
                    } else if (KeyBuilder.matchInstanceListKey(datum.key)) {
                        element.put("key", KeyBuilder.briefInstanceListkey(datum.key));
                    }
                    element.put("timestamp", datum.timestamp);

                    array.add(element);
                }
            }

            packet.put("datums", array);
            // broadcast
            Map<String, String> params = new HashMap<String, String>(1);
            params.put("beat", JSON.toJSONString(packet));

            String content = JSON.toJSONString(params);

            ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
            // 压缩
            GZIPOutputStream gzip = new GZIPOutputStream(out);
            gzip.write(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            gzip.close();

            byte[] compressedBytes = out.toByteArray();
            String compressedContent = new String(compressedBytes, StandardCharsets.UTF_8);

            if (Loggers.RAFT.isDebugEnabled()) {
                Loggers.RAFT.debug("raw beat data size: {}, size of compressed data: {}",
                    content.length(), compressedContent.length());
            }

            for (final String server : peers.allServersWithoutMySelf()) {
                try {
            		// url = "http://" + ip + RunningConfig.getContextPath() + /v1/ns/raft/beat
                    final String url = buildURL(server, API_BEAT);
                    if (Loggers.RAFT.isDebugEnabled()) {
                        Loggers.RAFT.debug("send beat to server " + server);
                    }
                    // 异步发送
                    HttpClient.asyncHttpPostLarge(url, null, compressedBytes, new AsyncCompletionHandler<Integer>() {
                        @Override
                        public Integer onCompleted(Response response) throws Exception {
                        	/*******处理/v1/ns/raft/beat 请求结果********/
                        	
                        	// 异常直接return
                            if (response.getStatusCode() != HttpURLConnection.HTTP_OK) {
                                Loggers.RAFT.error("NACOS-RAFT beat failed: {}, peer: {}",
                                    response.getResponseBody(), server);
                                MetricsMonitor.getLeaderSendBeatFailedException().increment();
                                return 1;
                            }

							// 更新RaftPeerSet peers;
                            peers.update(JSON.parseObject(response.getResponseBody(), RaftPeer.class));
                            if (Loggers.RAFT.isDebugEnabled()) {
                                Loggers.RAFT.debug("receive beat response from: {}", url);
                            }
                            return 0;
                        }

                        @Override
                        public void onThrowable(Throwable t) {
                            Loggers.RAFT.error("NACOS-RAFT error while sending heart-beat to peer: {} {}", server, t);
                            MetricsMonitor.getLeaderSendBeatFailedException().increment();
                        }
                    });
                } catch (Exception e) {
                    Loggers.RAFT.error("error while sending heart-beat to peer: {} {}", server, e);
                    MetricsMonitor.getLeaderSendBeatFailedException().increment();
                }
            }
        }
    }
}

在 HeartBeat 线程中,Leader节点会向其他Follower节点发送一个心跳包(/v1/ns/raft/vote),Follower收到心跳请求后,最终会调用 RaftCore 中的 RaftPeer receivedBeat(JSONObject beat) 方法,具体处理逻辑如下:

@Component
public class RaftCore {

	/**
     * 接收处理心跳包
     * @param beat 心跳包
     * @return 返回当前节点信息
     * @throws Exception
     */
    public RaftPeer receivedBeat(JSONObject beat) throws Exception {
        final RaftPeer local = peers.local();

		// step 1:获取Leader节点信息
        final RaftPeer remote = new RaftPeer();
        remote.ip = beat.getJSONObject("peer").getString("ip");
        remote.state = RaftPeer.State.valueOf(beat.getJSONObject("peer").getString("state"));
        remote.term.set(beat.getJSONObject("peer").getLongValue("term"));
        remote.heartbeatDueMs = beat.getJSONObject("peer").getLongValue("heartbeatDueMs");
        remote.leaderDueMs = beat.getJSONObject("peer").getLongValue("leaderDueMs");
        remote.voteFor = beat.getJSONObject("peer").getString("voteFor");

		// step 2:不是Leader节点的心跳包,直接抛异常
        if (remote.state != RaftPeer.State.LEADER) {
            Loggers.RAFT.info("[RAFT] invalid state from master, state: {}, remote peer: {}",
                remote.state, JSON.toJSONString(remote));
            throw new IllegalArgumentException("invalid state from master, state: " + remote.state);
        }

		// step 3:本地term > Leader中的term,抛异常
        if (local.term.get() > remote.term.get()) {
            Loggers.RAFT.info("[RAFT] out of date beat, beat-from-term: {}, beat-to-term: {}, remote peer: {}, and leaderDueMs: {}"
                , remote.term.get(), local.term.get(), JSON.toJSONString(remote), local.leaderDueMs);
            throw new IllegalArgumentException("out of date beat, beat-from-term: " + remote.term.get()
                + ", beat-to-term: " + local.term.get());
        }

		// step 4:本地节点不为 Follower 节点,先设置为 Follower
        if (local.state != RaftPeer.State.FOLLOWER) {

            Loggers.RAFT.info("[RAFT] make remote as leader, remote peer: {}", JSON.toJSONString(remote));
            // mk follower
            local.state = RaftPeer.State.FOLLOWER;
            local.voteFor = remote.ip;
        }
        // 注意:step 3、step 4的作用是:
        // 1. 修改Leader出现后,集群所有其他节点为当前Leader的Follower节点
        // 2. 处理Raft 选举中,出现网络分区的请求,以Term大的为主。

        final JSONArray beatDatums = beat.getJSONArray("datums");
        // 重置
        local.resetLeaderDue();
        local.resetHeartbeatDue();

		// 设置Leader
        peers.makeLeader(remote);

        Map<String, Integer> receivedKeysMap = new HashMap<>(datums.size());

        for (Map.Entry<String, Datum> entry : datums.entrySet()) {
            receivedKeysMap.put(entry.getKey(), 0);
        }

        // now check datums
        List<String> batch = new ArrayList<>();

		// 更新基本信息:缓存信息等
        if (!switchDomain.isSendBeatOnly()) {
            int processedCount = 0;
            if (Loggers.RAFT.isDebugEnabled()) {
                Loggers.RAFT.debug("[RAFT] received beat with {} keys, RaftCore.datums' size is {}, remote server: {}, term: {}, local term: {}",
                    beatDatums.size(), datums.size(), remote.ip, remote.term, local.term);
            }
            for (Object object : beatDatums) {
                processedCount = processedCount + 1;

                JSONObject entry = (JSONObject) object;
                String key = entry.getString("key");
                final String datumKey;

                if (KeyBuilder.matchServiceMetaKey(key)) {
                    datumKey = KeyBuilder.detailServiceMetaKey(key);
                } else if (KeyBuilder.matchInstanceListKey(key)) {
                    datumKey = KeyBuilder.detailInstanceListkey(key);
                } else {
                    // ignore corrupted key:
                    continue;
                }

                long timestamp = entry.getLong("timestamp");

                receivedKeysMap.put(datumKey, 1);

                try {
                    if (datums.containsKey(datumKey) && datums.get(datumKey).timestamp.get() >= timestamp && processedCount < beatDatums.size()) {
                        continue;
                    }

                    if (!(datums.containsKey(datumKey) && datums.get(datumKey).timestamp.get() >= timestamp)) {
                        batch.add(datumKey);
                    }

                    if (batch.size() < 50 && processedCount < beatDatums.size()) {
                        continue;
                    }

                    String keys = StringUtils.join(batch, ",");

                    if (batch.size() <= 0) {
                        continue;
                    }

                    Loggers.RAFT.info("get datums from leader: {}, batch size is {}, processedCount is {}, datums' size is {}, RaftCore.datums' size is {}"
                        , getLeader().ip, batch.size(), processedCount, beatDatums.size(), datums.size());

                    // update datum entry
                    String url = buildURL(remote.ip, API_GET) + "?keys=" + URLEncoder.encode(keys, "UTF-8");
                    HttpClient.asyncHttpGet(url, null, null, new AsyncCompletionHandler<Integer>() {
                        @Override
                        public Integer onCompleted(Response response) throws Exception {
                            if (response.getStatusCode() != HttpURLConnection.HTTP_OK) {
                                return 1;
                            }

                            List<JSONObject> datumList = JSON.parseObject(response.getResponseBody(), new TypeReference<List<JSONObject>>() {
                            });

                            for (JSONObject datumJson : datumList) {
                                OPERATE_LOCK.lock();
                                Datum newDatum = null;
                                try {

                                    Datum oldDatum = getDatum(datumJson.getString("key"));

                                    if (oldDatum != null && datumJson.getLongValue("timestamp") <= oldDatum.timestamp.get()) {
                                        Loggers.RAFT.info("[NACOS-RAFT] timestamp is smaller than that of mine, key: {}, remote: {}, local: {}",
                                            datumJson.getString("key"), datumJson.getLongValue("timestamp"), oldDatum.timestamp);
                                        continue;
                                    }

                                    if (KeyBuilder.matchServiceMetaKey(datumJson.getString("key"))) {
                                        Datum<Service> serviceDatum = new Datum<>();
                                        serviceDatum.key = datumJson.getString("key");
                                        serviceDatum.timestamp.set(datumJson.getLongValue("timestamp"));
                                        serviceDatum.value =
                                            JSON.parseObject(JSON.toJSONString(datumJson.getJSONObject("value")), Service.class);
                                        newDatum = serviceDatum;
                                    }

                                    if (KeyBuilder.matchInstanceListKey(datumJson.getString("key"))) {
                                        Datum<Instances> instancesDatum = new Datum<>();
                                        instancesDatum.key = datumJson.getString("key");
                                        instancesDatum.timestamp.set(datumJson.getLongValue("timestamp"));
                                        instancesDatum.value =
                                            JSON.parseObject(JSON.toJSONString(datumJson.getJSONObject("value")), Instances.class);
                                        newDatum = instancesDatum;
                                    }

                                    if (newDatum == null || newDatum.value == null) {
                                        Loggers.RAFT.error("receive null datum: {}", datumJson);
                                        continue;
                                    }

                                    raftStore.write(newDatum);

                                    datums.put(newDatum.key, newDatum);
                                    notifier.addTask(newDatum.key, ApplyAction.CHANGE);

                                    local.resetLeaderDue();

                                    if (local.term.get() + 100 > remote.term.get()) {
                                        getLeader().term.set(remote.term.get());
                                        local.term.set(getLeader().term.get());
                                    } else {
                                        local.term.addAndGet(100);
                                    }

                                    raftStore.updateTerm(local.term.get());

                                    Loggers.RAFT.info("data updated, key: {}, timestamp: {}, from {}, local term: {}",
                                        newDatum.key, newDatum.timestamp, JSON.toJSONString(remote), local.term);

                                } catch (Throwable e) {
                                    Loggers.RAFT.error("[RAFT-BEAT] failed to sync datum from leader, datum: {}", newDatum, e);
                                } finally {
                                    OPERATE_LOCK.unlock();
                                }
                            }
                            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
                            return 0;
                        }
                    });

                    batch.clear();

                } catch (Exception e) {
                    Loggers.RAFT.error("[NACOS-RAFT] failed to handle beat entry, key: {}", datumKey);
                }

            }

			// 获取需要剔除的Key
            List<String> deadKeys = new ArrayList<>();
            for (Map.Entry<String, Integer> entry : receivedKeysMap.entrySet()) {
                if (entry.getValue() == 0) {
                    deadKeys.add(entry.getKey());
                }
            }

            for (String deadKey : deadKeys) {
                try {
                	// 剔除key
                    deleteDatum(deadKey);
                } catch (Exception e) {
                    Loggers.RAFT.error("[NACOS-RAFT] failed to remove entry, key={} {}", deadKey, e);
                }
            }

        }

        return local;
    }
}
5. RaftCore.signalPublish()

RaftCore 中的 signalPublish(String key, Record value) 方法,负责处理事务请求:

  1. 先判断当前节点是否为Leader节点
  2. 如果为Leader节点,直接处理(需集群节点半数处理完成,才算成功)
  3. 否则,转发给Leader节点,进行处理
@Component
public class RaftCore {

	public void signalPublish(String key, Record value) throws Exception {
		// 先判断当前节点是否为Leader节点
        if (!isLeader()) {
        	// 转发给Leader节点,进行处理
            JSONObject params = new JSONObject();
            params.put("key", key);
            params.put("value", value);
            Map<String, String> parameters = new HashMap<>(1);
            parameters.put("key", key);

			// 转发事务类请求:向Leader发送 /v1/ns/raft/datum 请求
            raftProxy.proxyPostLarge(getLeader().ip, API_PUB, params.toJSONString(), parameters);
            return;
        }
		
		// Leader节点,直接处理
        try {
            OPERATE_LOCK.lock();
            long start = System.currentTimeMillis();
            final Datum datum = new Datum();
            datum.key = key;
            datum.value = value;
            if (getDatum(key) == null) {
                datum.timestamp.set(1L);
            } else {
                datum.timestamp.set(getDatum(key).timestamp.incrementAndGet());
            }

            JSONObject json = new JSONObject();
            json.put("datum", datum);
            json.put("source", peers.local());

			// 先更新Leader节点一些本地信息
            onPublish(datum, peers.local());

            final String content = JSON.toJSONString(json);

			// 半数通过,即事务请求处理成功,否则5s后抛异常
            final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(peers.majorityCount());
            // 同步数据给Follower节点
            for (final String server : peers.allServersIncludeMyself()) {
                if (isLeader(server)) {
                    latch.countDown();
                    continue;
                }
                // url = /v1/ns/raft/datum/commit
                final String url = buildURL(server, API_ON_PUB);
                HttpClient.asyncHttpPostLarge(url, Arrays.asList("key=" + key), content, new AsyncCompletionHandler<Integer>() {
                    @Override
                    public Integer onCompleted(Response response) throws Exception {
                        if (response.getStatusCode() != HttpURLConnection.HTTP_OK) {
                            Loggers.RAFT.warn("[RAFT] failed to publish data to peer, datumId={}, peer={}, http code={}",
                                datum.key, server, response.getStatusCode());
                            return 1;
                        }
                        latch.countDown();
                        return 0;
                    }

                    @Override
                    public STATE onContentWriteCompleted() {
                        return STATE.CONTINUE;
                    }
                });

            }

			// 最多等待5s,超时直接跑异常
            if (!latch.await(UtilsAndCommons.RAFT_PUBLISH_TIMEOUT, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                // only majority servers return success can we consider this update success
                Loggers.RAFT.error("data publish failed, caused failed to notify majority, key={}", key);
                throw new IllegalStateException("data publish failed, caused failed to notify majority, key=" + key);
            }

            long end = System.currentTimeMillis();
            Loggers.RAFT.info("signalPublish cost {} ms, key: {}", (end - start), key);
        } finally {
            OPERATE_LOCK.unlock();
        }
    }
}

2.2.3 Nacos Raft算法总结

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加:2022-07-21 21:22:54  更:2022-07-21 21:25:03 
 
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