這篇博文是借助360開源的Floyd項(xiàng)目和百度開源的Braft項(xiàng)目來分析Raft的實(shí)現(xiàn)扰魂，至于Raft的理論(概念)和原理及一些問題點(diǎn)可以從下面的連接中獲取淤翔，本身分析它是興趣剔难，利用周末時間來延伸自己的知識點(diǎn)锹漱，如有說的不正確箭养，請指教哈，這篇估計要寫一段時間哥牍，平時比較忙露懒。

Floyd里有關(guān)多線程的東西使用了Pink實(shí)現(xiàn)闯冷，但在分析Raft的時候會簡化它，不然東西比較多懈词。我會按照網(wǎng)上的說明蛇耀，把它至少分為三個部分來分析，第一部分是Leader選舉坎弯，第二部分是日志復(fù)制纺涤，第三部分是安全性，可能關(guān)鍵代碼比較多以及每個字段的作用抠忘。然后最后分析如何啟動(框架)撩炊，有幾個線程，以及各個承擔(dān)的職責(zé)崎脉。另外的Paxos挺復(fù)雜的拧咳，我也不準(zhǔn)備去分析，微信團(tuán)隊也開源了一個類似的實(shí)現(xiàn)PhxPaxos囚灼，有興趣的可自己分析下骆膝。

幾個關(guān)鍵的字段作用結(jié)合下代碼來分析比較好，每個節(jié)點(diǎn)使用FloydContext來描述該時刻的狀態(tài)和一些數(shù)據(jù)：

 34 struct FloydContext {
 35   // Role related
 36   explicit FloydContext(const Options& _options)
 37     : options(_options),
 38       voted_for_ip(""),
 39       voted_for_port(0),
 40       leader_ip(""),
 41       leader_port(0),
 42       vote_quorum(0),
 43       commit_index(0),
 44       last_applied(0),
 45       last_op_time(0),
 46       apply_cond(&apply_mu) {}
 47 
 48   void RecoverInit(RaftMeta *raft);
 49   void BecomeFollower(uint64_t new_iterm,
 50       const std::string leader_ip = "", int port = 0);
 51   void BecomeCandidate();
 52   void BecomeLeader();
 53 
 54   Options options;
 55   // Role related
 56   uint64_t current_term;
 58   Role role;
 59   std::string voted_for_ip;
 60   int voted_for_port;
 61   std::string leader_ip;
 62   int leader_port;
 63   uint32_t vote_quorum;
 64 
 65   uint64_t commit_index;
 66   std::atomic<uint64_t> last_applied;
 67   uint64_t last_op_time;
 68 
 69   std::set<std::string> members;
 70 
 71   // mutex protect commit_index
 72   // used in floyd_apply thread and floyd_peer thread
 73   slash::Mutex global_mu;
 74   slash::Mutex apply_mu;
 75   slash::CondVar apply_cond;
 76 };

current_term表示當(dāng)前任期灶体，role表示節(jié)點(diǎn)在該任期是處于什么狀態(tài)阅签，每個成員變量的作用從命名大概知道司顿，不具體分析了帘撰。

 19 void FloydContext::RecoverInit(RaftMeta *raft_meta) {
 20   current_term = raft_meta->GetCurrentTerm();
 21   voted_for_ip = raft_meta->GetVotedForIp();
 22   voted_for_port = raft_meta->GetVotedForPort();
 23   commit_index = raft_meta->GetCommitIndex();
 24   last_applied = raft_meta->GetLastApplied();
 25   role = Role::kFollower;
 26 }
 28 void FloydContext::BecomeFollower(uint64_t new_term,
 29                                   const std::string _leader_ip, int _leader_port) {
 30   // when requestvote receive a large term, then we transfer from candidate to follower
 31   // then we should set voted_for_ip to the leader_ip
 32   // if (current_term < new_term) {
 33   voted_for_ip = _leader_ip;
 34   voted_for_port = _leader_port;
 35   // }
 36   current_term = new_term;
 37   leader_ip = _leader_ip;
 38   leader_port = _leader_port;
 39   role = Role::kFollower;
 40 }

 42 void FloydContext::BecomeCandidate() {
 43   current_term++;
 44   role = Role::kCandidate;
 45   leader_ip.clear();
 46   leader_port = 0;
 47   voted_for_ip = options.local_ip;
 48   voted_for_port = options.local_port;
 49   vote_quorum = 1;
 50 }

 52 void FloydContext::BecomeLeader() {
 53   role = Role::kLeader;
 54   leader_ip = options.local_ip;
 55   leader_port = options.local_port;
 56 }

每個節(jié)點(diǎn)在同一時刻(任期term)只會有一種狀態(tài)(Leader/Follower/Candidate)，初始啟動時潮秘，集群中的節(jié)點(diǎn)都為Follower樟结，像current_term等是在RecoverInit中從rocksdb數(shù)據(jù)庫中恢復(fù)(初始化的)养交，每次狀態(tài)變更都會涉及到成員變量的修改，至于如何從一個狀態(tài)至另一個狀轉(zhuǎn)變的瓢宦，先引用下轉(zhuǎn)換圖层坠，然后從代碼層面分析。

角色轉(zhuǎn)換圖及條件

 40 class FloydPrimary {
 41  public:
 42   FloydPrimary(FloydContext* context, PeersSet* peers, RaftMeta* raft_meta,
 43       const Options& options, Logger* info_log);
 44   virtual ~FloydPrimary();
 45 
 46   int Start();
 47   int Stop();
 48   void AddTask(TaskType type, bool is_delay = true);
 49  private:
 50   FloydContext* const context_;
 51   PeersSet* const peers_;
 52   RaftMeta* const raft_meta_;
 53   Options options_;
 54   Logger* const info_log_;
 55 
 56   std::atomic<uint64_t> reset_elect_leader_time_;
 57   std::atomic<uint64_t> reset_leader_heartbeat_time_;
 58   pink::BGThread bg_thread_;
 59 
 60   // The Launch* work is done by floyd_peer_thread
 61   // Cron task
 62   static void LaunchHeartBeatWrapper(void *arg);
 63   void LaunchHeartBeat();
 64   static void LaunchCheckLeaderWrapper(void *arg);
 65   void LaunchCheckLeader();
 66   static void LaunchNewCommandWrapper(void *arg);
 67   void LaunchNewCommand();
 68 
 69   void NoticePeerTask(TaskType type);
 74 };

這個線程主要的工作是做些心跳機(jī)制刁笙，狀態(tài)轉(zhuǎn)換等破花，F(xiàn)loyd啟動的時候會先塞一個任務(wù)primary_->AddTask(kCheckLeader)主要是用于選擇Leader，所有節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)為Follower疲吸；

 52 void FloydPrimary::AddTask(TaskType type, bool is_delay) {
 59   switch (type) {
 60     case kHeartBeat:
 61       if (is_delay) {
 62         uint64_t timeout = options_.heartbeat_us;
 63         bg_thread_.DelaySchedule(timeout / 1000LL, LaunchHeartBeatWrapper, this);
 64       } else {
 65         bg_thread_.Schedule(LaunchHeartBeatWrapper, this);
 66       }
 67       break;
 68     case kCheckLeader:
 69       if (is_delay) {
 70         uint64_t timeout = options_.check_leader_us;
 71         bg_thread_.DelaySchedule(timeout / 1000LL, LaunchCheckLeaderWrapper, this);
 72       } else {
 73         bg_thread_.Schedule(LaunchCheckLeaderWrapper, this);
 74       }
 75       break;
 76     case kNewCommand:
 77       bg_thread_.Schedule(LaunchNewCommandWrapper, this);
 78       break;
 79     default:
 81       break;
 82   }
 83 }
 85 void FloydPrimary::LaunchHeartBeatWrapper(void *arg) {
 86   reinterpret_cast<FloydPrimary *>(arg)->LaunchHeartBeat();
 87 }
 88 
 89 void FloydPrimary::LaunchHeartBeat() {
 90   slash::MutexLock l(&context_->global_mu);
 91   if (context_->role == Role::kLeader) {
 92     NoticePeerTask(kNewCommand);
 93     AddTask(kHeartBeat);
 94   }
 95 }
 96 
 97 void FloydPrimary::LaunchCheckLeaderWrapper(void *arg) {
 98   reinterpret_cast<FloydPrimary *>(arg)->LaunchCheckLeader();
 99 }
101 void FloydPrimary::LaunchCheckLeader() {
102   slash::MutexLock l(&context_->global_mu);
103   if (context_->role == Role::kFollower || context_->role == Role::kCandidate) {
104     if (options_.single_mode) {
105           //code...
111     } else if (context_->last_op_time + options_.check_leader_us < slash::NowMicros()) {
112       context_->BecomeCandidate();
116       raft_meta_->SetCurrentTerm(context_->current_term);
117       raft_meta_->SetVotedForIp(context_->voted_for_ip);
118       raft_meta_->SetVotedForPort(context_->voted_for_port);
119       NoticePeerTask(kHeartBeat);
120     }
121   }
122   AddTask(kCheckLeader);
123 }
124 
125 void FloydPrimary::LaunchNewCommandWrapper(void *arg) {
126   reinterpret_cast<FloydPrimary *>(arg)->LaunchNewCommand();
127 }
125 void FloydPrimary::LaunchNewCommandWrapper(void *arg) {
126   reinterpret_cast<FloydPrimary *>(arg)->LaunchNewCommand();
127 }
128 
129 void FloydPrimary::LaunchNewCommand() {
131   if (context_->role != Role::kLeader) {
133     return;
134   }
135   NoticePeerTask(kNewCommand);
136 }
140 void FloydPrimary::NoticePeerTask(TaskType type) {
141   for (auto& peer : (*peers_)) {
142     switch (type) {
143     case kHeartBeat:
146       peer.second->AddRequestVoteTask();
147       break;
148     case kNewCommand:
151       peer.second->AddAppendEntriesTask();
152       break;
153     default:
156     }
157   }
158 }

其中心跳檢查也做了些投票邏輯(沒有分開)座每，具體代碼如上，沒有多少難點(diǎn)摘悴，能做什么是取決于是什么狀態(tài)峭梳。
其中check_leader_us這個值在每個節(jié)點(diǎn)是不相同的：check_leader_us = std::rand() % 2000000 + check_leader_us，引用一段話“服務(wù)器啟動時初始狀態(tài)都是follower，如果在超時時間內(nèi)沒有收到leader發(fā)送的心跳包葱椭，則進(jìn)入candidate狀態(tài)進(jìn)行選舉捂寿，服務(wù)器啟動時和leader掛掉時處理一樣。為了避免選票瓜分的情況孵运，raft利用隨機(jī)超時機(jī)制避免選票瓜分情況秦陋。選舉超時時間從一個固定的區(qū)間隨機(jī)選擇，由于每個服務(wù)器的超時時間不同治笨，則leader掛掉后驳概，超時時間最短且擁有最多日志的follower最先開始選主，并成為leader旷赖。一旦candidate成為leader顺又，就會向其他服務(wù)器發(fā)送心跳包阻止新一輪的選舉開始〉确酰”簡來說稚照，隨機(jī)化超時時間檢查，檢查時間大概是 [3s, 5s)俯萌。

代碼行101?123就是判斷有沒有超時果录，超時的話從kFollower轉(zhuǎn)換為kCandidate，BecomeCandidate函數(shù)要做的事就是增加當(dāng)前的任期數(shù)绳瘟，給自己投一票雕憔，然后通過心跳機(jī)制的方式向其他節(jié)點(diǎn)請求投票姿骏，并再次AddTask(kCheckLeader)糖声，進(jìn)行下一輪檢查(超時后)，來看一下AddRequestVoteTask主要做了什么分瘦，以及當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)收到心跳后的處理蘸泻，這里為了使分析更簡單，假設(shè)有A/B兩個節(jié)點(diǎn)嘲玫，A向B進(jìn)行請求投票AddRequestVoteTask悦施，此時A的某個工作線程進(jìn)行了RequestVoteRPC[不考慮異步回調(diào)的事件]

 93 void Peer::RequestVoteRPC() {
 94   uint64_t last_log_term;
 95   uint64_t last_log_index;
 96   CmdRequest req;
 97   {
 98   slash::MutexLock l(&context_->global_mu);
 99   raft_log_->GetLastLogTermAndIndex(&last_log_term, &last_log_index);
100 
101   req.set_type(Type::kRequestVote);
102   CmdRequest_RequestVote* request_vote = req.mutable_request_vote();
103   request_vote->set_ip(options_.local_ip);
104   request_vote->set_port(options_.local_port);
105   request_vote->set_term(context_->current_term);
106   request_vote->set_last_log_term(last_log_term);
107   request_vote->set_last_log_index(last_log_index);

消息協(xié)議使用了google的pb，這個線程會把自己的當(dāng)前任期數(shù)去团，ip/port抡诞，以last_log_term和last_log_index，發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)SendAndRecv[后面兩個字段的作用和何時修改土陪，會在后面分析]昼汗；
B節(jié)點(diǎn)的工作線程收到請求后，進(jìn)行了如下處理：

 89     case Type::kRequestVote:
 90       response_.set_type(Type::kRequestVote);
 91       floyd_->ReplyRequestVote(request_, &response_);
 92       response_.set_code(StatusCode::kOk);
 93       break;

714 int FloydImpl::ReplyRequestVote(const CmdRequest& request, CmdResponse* response) {
715   slash::MutexLock l(&context_->global_mu);
716   bool granted = false;
717   CmdRequest_RequestVote request_vote = request.request_vote();
718   /*
719    * If RPC request or response contains term T > currentTerm: set currentTerm = T, convert to follower (5.1)
720    */
721   if (request_vote.term() > context_->current_term) {
722     context_->BecomeFollower(request_vote.term());
723     raft_meta_->SetCurrentTerm(context_->current_term);
724   } 
725   // if caller's term smaller than my term, then I will notice him
726   if (request_vote.term() < context_->current_term) {
727     BuildRequestVoteResponse(context_->current_term, granted, response);
728     return -1;
729   }
730   uint64_t my_last_log_term = 0;
731   uint64_t my_last_log_index = 0;
732   raft_log_->GetLastLogTermAndIndex(&my_last_log_term, &my_last_log_index);
733   // if votedfor is null or candidateId, and candidated's log is at least as up-to-date
734   // as receiver's log, grant vote
735   if ((request_vote.last_log_term() < my_last_log_term) ||
736       ((request_vote.last_log_term() == my_last_log_term) && (request_vote.last_log_index() < my_last_log_index))) {
737     BuildRequestVoteResponse(context_->current_term, granted, response);
738     return -1;
739   } 
740   
741   if (vote_for_.find(request_vote.term()) != vote_for_.end()
742       && vote_for_[request_vote.term()] != std::make_pair(request_vote.ip(), request_vote.port())) {
743     BuildRequestVoteResponse(context_->current_term, granted, response);
744     return -1;
745   }
746   vote_for_[request_vote.term()] = std::make_pair(request_vote.ip(), request_vote.port());
747   context_->BecomeFollower(request_vote.term());
748   raft_meta_->SetCurrentTerm(context_->current_term);
749   raft_meta_->SetVotedForIp(context_->voted_for_ip);
750   raft_meta_->SetVotedForPort(context_->voted_for_port);
751   // Got my vote
752   GrantVote(request_vote.term(), request_vote.ip(), request_vote.port());
753   granted = true;
754   context_->last_op_time = slash::NowMicros();
755   BuildRequestVoteResponse(context_->current_term, granted, response);
756   return 0;
757 }

以上的就是收到請求投票的節(jié)點(diǎn)處理鬼雀，分為以下幾種情況：
1)如果B的任期數(shù)小于A顷窒，則B變?yōu)?code>kFollower，如果B的任期數(shù)大于A源哩，則拒絕投票鞋吉，因?yàn)橹挥凶钚碌腃andidate才有可能成為Leader鸦做；
2)如果request_vote.last_log_term() < my_last_log_term，或者((request_vote.last_log_term() == my_last_log_term) && (request_vote.last_log_index() < my_last_log_index))谓着，則拒絕投票泼诱；
3)然后判斷該term內(nèi)是否對同一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了重復(fù)投票；
代碼行746?755進(jìn)行投票漆魔，并修改狀態(tài)坷檩；

my_last_log_index 和my_last_log_term表示節(jié)點(diǎn)的最新日志條目的索引值和當(dāng)時的任期值，主要是為了安全性考慮改抡，如果沒有這兩個字段參與的條件判斷矢炼，那成為leader的那個節(jié)點(diǎn)可能沒有最新的日志，term最大并不能解決這個問題阿纤，具有最新最全日志的server的才有資格去競選當(dāng)上Leader句灌，并且根據(jù)任期號可以判斷一條日志的新舊程度。

A收到投票響應(yīng)后欠拾，進(jìn)行了如下處理：

128   if (res.request_vote_res().term() > context_->current_term) {
129     context_->BecomeFollower(res.request_vote_res().term());
130     raft_meta_->SetCurrentTerm(context_->current_term);
131     raft_meta_->SetVotedForIp(context_->voted_for_ip);
132     raft_meta_->SetVotedForPort(context_->voted_for_port);
133     return;
134   } 
135   if (context_->role == Role::kCandidate) {
136     if (res.request_vote_res().vote_granted() == true) {    // granted
137       if (CheckAndVote(res.request_vote_res().term())) {
138         context_->BecomeLeader();
139         UpdatePeerInfo();
140         primary_->AddTask(kHeartBeat, false);
141       } 
142     } else {
143       context_->BecomeFollower(res.request_vote_res().term());
144       raft_meta_->SetCurrentTerm(context_->current_term);
145       raft_meta_->SetVotedForIp(context_->voted_for_ip);
146       raft_meta_->SetVotedForPort(context_->voted_for_port);
147     } 
148   } else if (context_->role == Role::kFollower) {
149   } else if (context_->role == Role::kLeader) {
150   }     
151   }     
152   return;

代碼行128?134判斷自己的任期數(shù)是否小于對端的胰锌，是的話則自己變?yōu)?code>kFollower；因?yàn)槭钱惒秸埱笸镀泵暾栽谑盏侥硞€節(jié)點(diǎn)的投票響應(yīng)后资昧，此時的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)可能已經(jīng)發(fā)生變化了，故在檢查時荆忍，需要結(jié)合節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的狀態(tài)格带；
如果是kCandidate，然后檢查當(dāng)前任期內(nèi)的投票數(shù)是否大于一定的數(shù)刹枉，如果滿足則變?yōu)?code>kLeader叽唱，并且

 72 void Peer::UpdatePeerInfo() {
 73   for (auto& pt : (*peers_)) {
 74     pt.second->set_next_index(raft_log_->GetLastLogIndex() + 1);
 75     pt.second->set_match_index(0);
 76   }
 77 }

然后每個follower進(jìn)行AddAppendEntriesTask，具體做了什么下次分析微宝。

 65 bool Peer::CheckAndVote(uint64_t vote_term) {
 66   if (context_->current_term != vote_term) {
 67     return false;
 68   }
 69   return (++context_->vote_quorum) > (options_.members.size() / 2);
 70 }

如果是kFollower或者kLeader棺亭，啥也不做。
補(bǔ)充一下蟋软，見代碼行135?140镶摘，在Server成為新Leader后，會立刻AddTask岳守，寫一條NOP日志凄敢，之后才能提供服務(wù)，主要是為了安全性考慮棺耍，下一篇會把這個坑填上贡未。

下面幾個鏈接是我在分析源碼時，所做的一些參考，最后三個是一些相關(guān)的應(yīng)用俊卤，包括優(yōu)化方案嫩挤，原始Raft論文里的實(shí)現(xiàn)性能并不怎么好。
參考：
https://github.com/maemual/raft-zh_cn/blob/master/raft-zh_cn.md
https://www.cnblogs.com/katsura/p/6549344.html
https://yq.aliyun.com/articles/62425
http://www.reibang.com/p/4711c4c32aab
http://www.reibang.com/p/2a2ba021f721
http://www.reibang.com/p/ee7646c0f4cf
https://yq.aliyun.com/articles/398232?spm=a2c4e.11153940.blogcont62425.18.1e944bd0b1UuMv
https://yq.aliyun.com/articles/398237?spm=a2c4e.11153940.blogcont62425.19.1e944bd0b1UuMv
https://pingcap.com/blog-cn/#Raft
https://www.zhihu.com/question/54997169
https://zhuanlan.zhihu.com/p/25735592