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17 | Hashicorp Raft（一）：如何跨过理论和代码之间的鸿沟？
你好，我是韩健。
很多同学在开发系统的时候，都会有这样的感觉：明明自己看了很多资料，掌握了技术背后的原理，可在开发和调试的时候还是很吃力，这是为什么呢？
答案很简单，因为理论和实践本来就是两回事，实践不仅需要掌握API接口的用法，还需要理解API背后的代码实现。
所以，如果你在使用Raft开发分布式系统的时候，仅仅阅读Raft论文或者Raft实现的API手册，是远远不够的。你还要吃透API背后的代码实现，“不仅知其然，也要知其所以然”，这样才能“一切尽在掌握中”，从而开发实现能稳定运行的分布式系统。那么怎么做才能吃透Raft的代码实现呢？
要知道，任何Raft实现都承载了两个目标：实现Raft算法的原理，设计易用的API接口。所以，你不仅要从算法原理的角度理解代码实现，而且要从场景使用的角度理解API接口的用法。
而我会用两节课的时间，**从代码实现和接口使用两个角度，**带你循序渐进地掌握当前流行的一个Raft实现：Hashicorp Raft（以最新稳定版v1.1.1为例）。希望你在这个过程中集中注意力，勾划重点，以便提高学习效率，吃透原理对应的技术实现，彻底掌握Raft算法的实战技巧。
本节课，我会从算法原理的角度，聊一聊Raft算法的核心功能（领导者选举和日志复制）在Hashicorp Raft中是如何实现的。（如果Raft算法的原理你已经忘得差不多了，那你可以先回顾下7～9讲，加深印象之后，再进入今天的学习。）
Hashicorp Raft如何实现领导者选举？
**在我看来，阅读源码的关键，在于找到代码的入口函数，**比如在Golang代码中，程序的入口函数一般为main()函数，那么领导者选举的入口函数是哪个呢？
我们知道，典型的领导者选举在本质上是节点状态的变更。具体到Hashicorp Raft源码中，领导者选举的入口函数run()，在raft.go中以一个单独的协程运行，来实现节点状态变迁，就像下面的样子：
func (r *Raft) run() {
for {
select {
// 关闭节点
case <-r.shutdownCh:
r.setLeader("")
return
default:
}
switch r.getState() {
// 跟随者
case Follower:
r.runFollower()
// 候选人
case Candidate:
r.runCandidate()
// 领导者
case Leader:
r.runLeader()
}
}
}
从上面这段代码中，你能看到，Follower（跟随者）、Candidate（候选人）、Leader（领导者）三个节点状态对应的功能，都被抽象成一个函数，分别是runFollower()、runCandidate()和runLeader()。
数据结构
在07讲中，我们先学习了节点状态，不过主要侧重理解节点状态的功能作用（比如说，跟随者相当于普通群众，领导者是霸道总裁），并没有关注它在实际代码中是如何实现的，所以我们先来看看在Hashicorp Raft中是如何实现节点状态的。
节点状态相关的数据结构和函数，是在state.go中实现的。跟随者、候选人和领导者的3个状态，是由RaftState定义的，一个无符号32位的只读整型数值（uint32）：
type RaftState uint32
const (
// 跟随者
Follower RaftState = iota
// 候选人
Candidate
// 领导者
Leader
// 关闭状态
Shutdown
)
需要注意的是，**也存在一些需要使用字符串格式的节点状态的场景（比如日志输出），**这时你可以使用RaftState.String()函数。
你应该还记得，每个节点都有属于本节点的信息（比如任期编号），那么在代码中如何实现这些信息呢？这就要说到raftState数据结构了。
raftState属于结构体类型，是表示节点信息的一个大数据结构，里面包含了只属于本节点的信息，比如节点的当前任期编号、最新提交的日志项的索引值、存储中最新日志项的索引值和任期编号、当前节点的状态等，就像下面的样子：
type raftState struct {
// 当前任期编号
currentTerm uint64
// 最大被提交的日志项的索引值
commitIndex uint64
// 最新被应用到状态机的日志项的索引值
lastApplied uint64
// 存储中最新的日志项的索引值和任期编号
lastLogIndex uint64
lastLogTerm uint64
// 当前节点的状态
state RaftState
......
}
节点状态与节点信息的定义就是这么简单，这里我就不多说了。而在分布式系统中要实现领导者选举，更重要的一层内容是实现RPC消息，因为领导者选举的过程，就是一个RPC通讯的过程。
在理论篇中我说过，Raft算法中支持多种RPC消息（比如请求投票RPC消息、日志复制RPC消息）。所以接下来我们看一看，在Hashicorp Raft中又是怎样实现RPC消息的。又因为在一个RPC消息中，最重要的部分就是消息的内容，所以我们先来看一看RPC消息对应的数据结构。
RPC消息相关的数据结构是在commands.go中定义的，比如，日志复制RPC的请求消息，对应的数据结构为AppendEntriesRequest。而AppendEntriesRequest是一个结构体类型，里面包含了Raft算法论文中约定的字段，比如以下这些内容。
- Term：当前的任期编号。
- PrevLogEntry：表示当前要复制的日志项，前面一条日志项的索引值。
- PrevLogTerm：表示当前要复制的日志项，前面一条日志项的任期编号。
- Entries：新日志项。
具体的结构信息，就像下面的样子：
type AppendEntriesRequest struct {
// 当前的任期编号，和领导者信息（包括服务器ID和地址信息）
Term uint64
Leader []byte
// 当前要复制的日志项，前面一条日志项的索引值和任期编号
PrevLogEntry uint64
PrevLogTerm uint64
// 新日志项
Entries []*Log
// 领导者节点上的已提交的日志项的最大索引值
LeaderCommitIndex uint64
}
我建议你可以采用上面的思路，对照着算法原理去学习其他RPC消息的实现，这样一来你就能掌握独立学习的能力了。其他RPC消息的数据结构我就不一一描述了（如果你遇到问题，可以在留言区留言）。
现在，你已经了解了节点状态和RPC消息的格式，掌握了这些基础知识后，我们继续下一步，看看在Hashicorp Raft中是如何进行领导者选举的。
选举领导者
首先，在初始状态下，集群中所有的节点都处于跟随者状态，函数runFollower()运行，大致的执行步骤，就像下图的样子：
我带你走一遍这五个步骤，便于你加深印象。
- 根据配置中的心跳超时时长，调用randomTimeout()函数来获取一个随机值，用以设置心跳超时时间间隔。
- 进入到for循环中，通过select实现多路IO复用，周期性地获取消息和处理。如果步骤1中设置的心跳超时时间间隔发生了超时，执行步骤3。
- 如果等待心跳信息未超时，执行步骤4，如果等待心跳信息超时，执行步骤5。
- 执行continue语句，开始一次新的for循环。
- 设置节点状态为候选人，并退出runFollower()函数。
当节点推举自己为候选人之后，函数runCandidate()执行，大致的执行步骤，如图所示：
同样的，我们走一遍这个过程，加深一下印象。
- 首先调用electSelf()发起选举，给自己投一张选票，并向其他节点发送请求投票RPC消息，请求他们选举自己为领导者。然后调用randomTimeout()函数，获取一个随机值，设置选举超时时间。
- 进入到for循环中，通过select实现多路IO复用，周期性地获取消息和处理。如果发生了选举超时，执行步骤3，如果得到了投票信息，执行步骤4。
- 发现了选举超时，退出runCandidate()函数，然后再重新执行runCandidate()函数，发起新一轮的选举。
- 如果候选人在指定时间内赢得了大多数选票，那么候选人将当选为领导者，调用setState()函数，将自己的状态变更为领导者，并退出runCandidate()函数。
当节点当选为领导者后，函数runLeader()就执行了：
整个过程，主要有4个步骤。
- 调用startStopReplication()，执行日志复制功能。
- 然后启动新的协程，调用replicate()函数，执行日志复制功能。
- 接着在replicate()函数中，启动一个新的协程，调用heartbeat()函数，执行心跳功能。
- 在heartbeat()函数中，周期性地发送心跳信息，通知其他节点，我是领导者，我还活着，不需要你们发起新的选举。
其实，在Hashicorp Raft中实现领导者选举并不难，你只要充分理解上述步骤，并记住，领导者选举本质上是节点状态变迁，跟随者、候选人、领导者对应的功能函数分别为runFollower()、runCandidate()、runLeader()，就可以了。
Hashicorp Raft如何复制日志？
学习08讲之后，你应该知道了日志复制的重要性，因为Raft是基于强领导者模型和日志复制，最终实现强一致性的。那么你该如何学习日志复制的代码实现呢？和学习“如何实现领导者选举”一样，你需要先了解了日志相关的数据结构，阅读日志复制相关的代码。
学习了理论篇后，你应该还记得日志复制是由领导者发起的，跟随者来接收的。可能有同学已经想到了，领导者复制日志和跟随者接收日志的入口函数，应该分别在runLeader()和runFollower()函数中调用的。赞！理解正确！
- 领导者复制日志的入口函数为startStopReplication()，在runLeader()中，以r.startStopReplication()形式被调用，作为一个单独协程运行。
- 跟随者接收日志的入口函数为processRPC()，在runFollower()中以r.processRPC(rpc)形式被调用，来处理日志复制RPC消息。
不过，在分析日志复制的代码实现之前，咱们先来聊聊日志相关的数据结构，便于你更好地理解代码实现。
数据结构
08讲中我提到过，一条日志项主要包含了3种信息，分别是指令、索引值、任期编号，而在Hashicorp Raft实现中，日志对应的数据结构和函数接口是在log.go中实现的，其中，日志项对应的数据结构是结构体类型的，就像下面的样子：
type Log struct {
// 索引值
Index uint64
// 任期编号
Term uint64
// 日志项类别
Type LogType
// 指令
Data []byte
// 扩展信息
Extensions []byte
}
我强调一下，与协议中的定义不同，日志项对应的数据结构中，包含了LogType和Extensions两个额外的字段：
- LogType可用于标识不同用途的日志项，比如，使用LogCommand标识指令对应的日志项，使用LogConfiguration表示成员变更配置对应的日志项。
- Extensions可用于在指定日志项中存储一些额外的信息。这个字段使用的比较少，在调试等场景中可能会用到，你知道有这么个字段就可以了。
说完日志复制对应的数据结构，我们分步骤看一下，在Hashicorp Raft中是如何实现日志复制的。
领导者复制日志
日志复制是由领导者发起，在runLeader()函数中执行的，主要有这样几个步骤。
- 在 runLeader()函数中，调用startStopReplication()函数，执行日志复制功能。
- 启动一个新协程，调用replicate()函数，执行日志复制相关的功能。
- 在replicate()函数中，调用replicateTo()函数，执行步骤4，如果开启了流水线复制模式，执行步骤5。
- 在replicateTo()函数中，进行日志复制和日志一致性检测，如果日志复制成功，则设置s.allowPipeline = true，开启流水线复制模式。
- 调用pipelineReplicate()函数，采用更高效的流水线方式，进行日志复制。
在这里我强调一下，在什么条件下开启了流水线复制模式，很多同学可能会在这一块儿产生困惑，因为代码逻辑上有点儿绕。**你可以这么理解，是在不需要进行日志一致性检测，复制功能已正常运行的时候，开启了流水线复制模式，**目标是在环境正常的情况下，提升日志复制性能，如果在日志复制过程中出错了，就进入RPC复制模式，继续调用replicateTo()函数，进行日志复制。
跟随者接收日志
领导者复制完日志后，跟随者会接收日志并开始处理日志。跟随者接收和处理日志，是在runFollower()函数中执行的，主要有这样几个步骤。
- 在runFollower()函数中，调用processRPC()函数，处理接收到的RPC消息。
- 在processRPC()函数中，调用appendEntries()函数，处理接收到的日志复制RPC请求。
- appendEntries()函数，是跟随者处理日志的核心函数。在步骤3.1中，比较日志一致性；在步骤3.2中，将新日志项存放在本地；在步骤3.3中，根据领导者最新提交的日志项索引值，来计算当前需要被应用的日志项，并应用到本地状态机。
讲到这儿，你应该可以了解日志复制的代码实现了吧。关于更多的Raft原理的代码实现，你可以继续阅读源码来学习，如果在学习过程中有疑问，欢迎给我留言。
内容小结
本节课我主要带你了解了如何从算法原理的角度理解Hashicorp Raft实现，有几个重点我想强调一下：
-
跟随者、候选人、领导者3种节点状态都有分别对应的功能函数，当需要查看各节点状态相关的功能实现时（比如，跟随者如何接收和处理日志），都可以将对应的函数作为入口函数，来阅读代码和研究功能实现。
-
raft.go是Hashicorp Raft的核心代码文件，大部分的核心功能都是在这个文件中实现的，平时可以多研究这个文件中的代码，直到彻底吃透，掌握。
-
在Hashicorp Raft中，支持两种节点间通讯机制，内存型和TCP协议型，其中，内存型通讯机制，主要用于测试，2种通讯机制的代码实现，分别在文件inmem_transport.go和tcp_transport.go中。
-
Hashicorp Raft实现，是常用的Golang版Raft算法的实现，被众多流行软件使用，如Consul、InfluxDB、IPFS等，相信你对它并不陌生。其他的实现还有Go-Raft、LogCabin、Willemt-Raft等，不过我建议你在后续开发分布式系统时，优先考虑Hashicorp Raft，因为Hashicorp Raft实现，功能完善、代码简洁高效、流行度高，可用性和稳定性被充分打磨。
最后，关于如何高效地阅读源码，我还想多说一说。在我看来，高效阅读源码的关键在于抓住重点，要有“底线”，不要芝麻和西瓜一把抓，什么都想要，最终陷入到枝节琐碎的细节中出不来。什么是重点呢？我认为重点是数据结构和关键的代码执行流程，比如在Hashicorp Raft源码中，日志项对应的数据结构、RPC消息对应的数据结构、选举领导者的流程、日志复制的流程等，这些就是重点。
有的同学可能还有疑问：在阅读源码的时候，如果遇到不是很明白的代码，该怎么办呢？我建议你可以通过打印日志或GDB单步调试的方式，查看上下文中的变量的内容、代码执行逻辑等，帮助理解。
课堂思考
在Hashicorp Raft实现中，我讲了如何实现选举领导者，以及如何复制日志等，那么在Hashicorp Raft中，网络通讯是如何实现的呢？欢迎在留言区分享你的看法，与我一同讨论。
最后，感谢你的阅读，如果这篇文章让你有所收获，也欢迎你将它分享给更多的朋友。