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6.824-lab-implementation

This is a implementation for 6.824 lab. Each part has passed 2000 tests.

前言

6.824的lab2是实现一个分布式共识算法raft，raft主要用于管理复制状态机之间日志的复制，保证日志的一致性，是一个有着强Leader限制的算法，日志只从Leader流向Follower，与同为共识算法的Paxos相比更易理解和实现。

学习背景

在做lab之前花点时间学习go语言基础语法，然后最好把 Raft论文熟读，理解Raft是如何工作的，再结合Raft官方做的算法可视化，基本上就能顺利的做出来。

Raft实例结构

// A Go object implementing a single Raft peer.
type Raft struct {
	mu        sync.Mutex          // Lock to protect shared access to this peer's state
	peers     []*labrpc.ClientEnd // RPC end points of all peers
	persister *Persister          // Object to hold this peer's persisted state
	me        int                 // this peer's index into peers[]
	dead      int32               // set by Kill()

	// Your data here (2A, 2B, 2C).
	// Look at the paper's Figure 2 for a description of what
	// state a Raft server must maintain.
	electionTime  time.Time
	heartsbeats   time.Duration
	currentTerm   int
	votedFor      int
	commitedIndex int
	lastApplied   int
	nextIndex     []int
	matchIndex    []int
	state         State
	logs          []Log
	applyCh       chan ApplyMsg
	applyCond     *sync.Cond

	// 2D
	snapshot          []byte
	lastIncludedIndex int
	lastIncludedTerm  int
}

根据论文的Figure2可以很轻松的写出raft的各个属性

  • electionTime：每个raft实例的选举超时时间，follower如果在这时间之前未收到来自leader的append entry或给一名candidate投票，便成为candidate开始选举
  • heartsbeats：心跳包发送周期

Make( )函数——创建一个raft实例

func Make(peers []*labrpc.ClientEnd, me int,
	persister *Persister, applyCh chan ApplyMsg) *Raft {
	rf := &Raft{}
	rf.peers = peers
	rf.persister = persister
	rf.me = me

	// Your initialization code here (2A, 2B, 2C).
	rf.resetTimer()
	rf.heartsbeats = 50 * time.Millisecond
	rf.votedFor = -1
	rf.state = Follower
	rf.currentTerm = 1
	rf.applyCh = applyCh
	rf.nextIndex = make([]int, len(rf.peers))
	rf.matchIndex = make([]int, len(rf.peers))
	rf.logs = append(rf.logs, Log{})
	rf.applyCond = sync.NewCond(&rf.mu)
	rf.snapshot = persister.ReadSnapshot()

	// initialize from state persisted before a crash
	rf.readPersist(persister.ReadRaftState())
	// start ticker goroutine to start elections
	go rf.ticker()
	go rf.applier()

	return rf
}

Raft以Follower的状态加入集群，当实例化raft时，需要设置一个随机的选举超时时间，以避免多个follower同时进行选举瓜分选票，还需要从Storage层读取volatile的状态（currentTerm、votedfor、logs、lastIncludedIndex、lastIncludedTerm）。并开启两个线程分别运行ticker和applier函数。

ticker( )函数

func (rf *Raft) ticker() {
	for rf.killed() == false {

		// Your code here to check if a leader election should
		// be started and to randomize sleeping time using
		// time.Sleep().

		// waiting for heartsbeats
		time.Sleep(rf.heartsbeats)

		rf.mu.Lock()
		if rf.state == Leader {
			// leader reset time prevent from election
			// send heartsbeats
			rf.leaderAppendEntries(true)
		}

		// if no heartsbeats has been received
		if time.Now().After(rf.electionTime) && rf.state != Leader {
			// start election(Follower) or restart election(candidate)
			rf.startElection()
		}
		rf.mu.Unlock()
	}
}

每隔一个心跳包周期，便进行一次判断：

  • 对于Leader，发送append entries。
  • 对于Follower或Candidate：如果现在的时间超过了选举超时时间，开始选举。

Part 2A：Leader Election

实验第一部分是实现Leader的选举，当一个Follower计时器超时，就发起选举，给其他Raft发送RequestVote RPC。

RequestVote RPC结构

type RequestVoteArgs struct {
	// Your data here (2A, 2B).
	Term         int
	CandidateId  int
	LastLogIndex int
	LastLogTerm  int
}

RPC中的LastLogTerm和LastLogIndex用于判断投票者和Candidate谁的Log更up-to-date。这两项在2A中用不上，因为在2A的测试用例里没有Log Replication的过程，所以投票者只需要比较自己的Term和RPC里的Term以及当前Term是否投过票来决定是否投票。

RequestVote Reply

type RequestVoteReply struct {
	// Your data here (2A).
	Term         int
	VotedGranted bool
}

RequestVote的Reply比较简单，VoteGranted判断投票者是否投了票，Term则是接受者的Term。

startElection( )

To begin an election, a follower increments its current term and transitions to candidate state. It then votes for itself and issues RequestVote RPCs in parallel to each of the other servers in the cluster.

func (rf *Raft) startElection() {
	rf.currentTerm++
	rf.state = Candidate
	rf.votedFor = rf.me
	fmt.Printf("[%d] start election at %d\n", rf.me, rf.currentTerm)
	rf.persist()
	rf.resetTimer()

	votes := 1
	args := RequestVoteArgs{
		Term:         rf.currentTerm,
		CandidateId:  rf.me,
		LastLogIndex: rf.lastIndex(),
		LastLogTerm:  rf.lastLog().Term,
	}
	for server := range rf.peers {
		if server != rf.me {
			go rf.handleRequestVote(server, &args, &votes)
		}
	}
}

这里用代码将论文里的描述复现，对每一个raft开启一个线程并行的发送RPC。这里需要给每一个Raft发送一个votes参数指针，用来记录Candidate收到的票数。

handleRequestVote( )

func (rf *Raft) handleRequestVote(server int, args *RequestVoteArgs, votes *int) {
	reply := RequestVoteReply{}
	ok := rf.sendRequestVote(server, args, &reply)
	if !ok {
		return
	}
	rf.mu.Lock()
	defer rf.mu.Unlock()
	if reply.Term > rf.currentTerm {
		// reset votedFor
		rf.becomeLeader(reply.Term)
		return
	}
	// don't handle old rpc
	if reply.Term < rf.currentTerm {
		return
	}
	if !reply.VotedGranted {
		return
	}
	if reply.VotedGranted {
		*votes++
	}

	if *votes > len(rf.peers)/2 && rf.state == Candidate && args.Term == rf.currentTerm {
		rf.state = Leader

		// initialize matchIndex and nextIndex
		for i := 0; i < len(rf.peers); i++ {
			rf.matchIndex[i] = 0
			// initialize to leader's last log+1
			rf.nextIndex[i] = rf.lastIndex() + 1
		}
		rf.printState()

		// sending heartsbeats
		rf.leaderAppendEntries(true)
	}
}

Candidate在handleRequestVote函数处理每个Raft对其RequestVote的回复：

  • 如果收到的Term比自己的Term大，根据论文里对所有server的规定，需要转变为Follower，并把当前Term设为更大的Term。
  • 如果收到的Term比自己的Term小，说明Reply已经过期，该选票不是对当前Term的投票，直接返回不进行处理。
  • 如果Candidate收到一个票数，votes加一，判断当前的票数是否大于一半的Raft数，还要判断自己当前是否还是Candidate（有可能Candidate在处理其他选票时变成了Follower并返回）以及RPC的Term是否和自己当前Term一致，不一致则说明这是旧的回复。
  • 成功成为Leader后，初始化nextIndex和matchIndex，并给其他Raft发送AppendEntries。

RequestVote( )

func (rf *Raft) RequestVote(args *RequestVoteArgs, reply *RequestVoteReply) {
	// Your code here (2A, 2B).
	// lock to prevent multiple requestVote requests
	rf.mu.Lock()
	defer rf.mu.Unlock()
	if args.Term > rf.currentTerm {
		rf.becomeLeader(args.Term)
	}
	if args.Term < rf.currentTerm {
		reply.Term = rf.currentTerm
		reply.VotedGranted = false
		return
	}
	isUpToDate := args.LastLogTerm > rf.lastLog().Term || args.LastLogTerm == rf.lastLog().Term &&
		args.LastLogIndex >= rf.lastIndex()
	thisTermNotVoted := rf.votedFor == -1 || rf.votedFor == args.CandidateId
	if thisTermNotVoted && isUpToDate {
		rf.votedFor = args.CandidateId
		rf.persist()
		rf.resetTimer()
		reply.VotedGranted = true
		fmt.Printf("[%d] voted for %d\n", rf.me, args.CandidateId)
	} else {
		fmt.Printf("[%d] refuse to voted for %d\n", rf.me, args.CandidateId)
		reply.VotedGranted = false
	}
	reply.Term = rf.currentTerm
}

Raft收到RPC后，先比较Term，若RPC中的Term更大，无论自己当前是什么状态都装变为Follower并将自己的votedFor置为-1；

若更小，则拒绝投票。

根据论文5.4.1的Election restriction，raft只会给大于等于自己当前Term且Candidate的Log至少和自己的一样up-to-date的Candidate投票，成功投票后才会重置计时器。

总结

PartA还算简单，照着论文的描述自己用代码复现一遍很快就能做出来，注意要完全按照论文里的描述来实现，如果按照自己的思路来的话可能会陷入一个及其痛苦的debug过程。这里的Leader选举还涉及有一个PreVote的机制，这个机制可以防止某个被partition的节点暴增currentTerm，也可以保证Leader的稳定性，日后有时间再进行实现

Part2B：Log Replication

2B实现Raft的第二个部分，日志复制。server层接受客户端请求后通过Start函数向raft交付日志并开始复制。

Start( )

func (rf *Raft) Start(command interface{}) (int, int, bool) {
	index := -1
	term := -1
	isLeader := true

	// Your code here (2B).
	rf.mu.Lock()
	defer rf.mu.Unlock()

	// if not leader return false
	if rf.state != Leader {
		return len(rf.logs), rf.currentTerm, false
	}

	term = rf.currentTerm
	index = rf.lastLog().Index + 1
	log := Log{Term: term, Cmd: command, Index: index}
	fmt.Printf("[%v]: term %v Start %v\n", rf.me, term, log)
	rf.logs = append(rf.logs, log)
	rf.persist()
	// index start from 1
	rf.leaderAppendEntries(false)
	return index, term, isLeader
}

Leader接收到请求后，将命令和Term做成日志还有该日志项的index（Lab2D中snapshot机制需要用到）追加到自己的日志中，并给Followers发送appendEntries

LeaderAppendEntries( )

func (rf *Raft) leaderAppendEntries(heartbeat bool) {
	rf.resetTimer()
	for i := range rf.peers {
		if rf.me != i {
			// rules for leader 3
			entries := []Log{}
			if rf.nextIndex[i] <= rf.lastIndex() || heartbeat {
				nextIndex := rf.nextIndex[i]
				if nextIndex <= 0 {
					nextIndex = 1
				}
				prevIndex := nextIndex - 1
				entries = append(entries, rf.slice(nextIndex)...)
				prevTerm := rf.logAt(prevIndex).Term
				args := AppendEntriesArgs{
					Term:         rf.currentTerm,
					LeaderId:     rf.me,
					PrevLogIndex: prevIndex,
                    PrevLogTerm:  prevTerm,
					Entries:      entries,
					LeaderCommit: rf.commitedIndex,
				}
				go rf.handleAppendEntries(i, &args)
			}
		}
	}
}

该函数为Follower发送AppendEntries，如果不发送日志则为一个心跳包，需要注意的是，只有对于某个Follower,Leader的nextIndex小于Leader最后一项日志的索引，或是当前是心跳包时，才会发送。

如果nextIndex<=0(下标从1开始)，就设其为1，防止数组下标出界。为了提高效率可以将Leader从prevIndex之后的所有日志一并发出去。

AppendEntries( )

先看看Follower如何处理AppendEntries RPC

func (rf *Raft) AppendEntries(args *AppendEntriesArgs, reply *AppendEntriesReply) {
	// Your code here (2A, 2B).

	// lock to prevent multiple appendEntries requests
	rf.mu.Lock()
	defer rf.mu.Unlock()

	reply.Success = false
	reply.Term = rf.currentTerm
	if args.Term > rf.currentTerm {
		rf.becomeLeader(args.Term)
	}
	// don't handle old message
	if args.Term < rf.currentTerm {
		return
	}
	rf.resetTimer()

	// log inconsistency
	if rf.lastIndex() < args.PrevLogIndex {
		return
	}
	var hasAllEntries = true
	if len(args.Entries) > 0 {
		for index, log := range args.Entries {
			if args.PrevLogIndex+index+1 > rf.lastIndex() || rf.logAt(args.PrevLogIndex+index+1).Term != log.Term {
				hasAllEntries = false
				break
			}
		}
	}
	if !hasAllEntries {
		rf.logs = rf.trim(args.PrevLogIndex + 1)
		rf.logs = append(rf.logs, args.Entries...)
		rf.persist()
	}

	// update commitedIndex
	if args.LeaderCommit > rf.commitedIndex {
		rf.commitedIndex = min(rf.lastIndex(), args.LeaderCommit)
		rf.applyCond.Broadcast()
	}
	reply.Success = true
}

Follower收到Append Entries RPC后一样先判断Term大小，RPC的Term大，说明自己过时了，转为Follower；RPC的Term小，说明这是过时的RPC或者来自过时的Leader（比如说刚从网络分区恢复的Leader）。

  • 判断自己的lastIndex，若小于PrevLogIndex，说明Follower的log落后太多了，直接放回false（后面会有优化方法加快Leader定位nextIndex的过程，在2B中还不需要实现这一方法）
  • 注意，在追加Leader发来的日志时，不能简单地将PrevLogIndex之后的日志全部换成Leader发来的日志，这样会导致旧RPC把Follower已经追加的新RPC的日志给删掉，虽然不会导致安全性问题，但是这无疑增加了Leader需要发送RPC的数量，增加了网络负载。我们需要在追加日之前，检查是否已经包含RPC中的所有日志，如果包含，直接放回，不包含就把不包含的日志追加。
  • 追加完成之后，记得更新Follower的commit index

AppendEntries( )

接下来看看Leader如何处理Follower的回复

reply := AppendEntriesReply{}

ok := rf.sendAppendEntries(server, args, &reply)
if !ok {
   return
}
rf.mu.Lock()
defer rf.mu.Unlock()
// find a higher term, become follower
if reply.Term > rf.currentTerm {
   // reset votedFor
   rf.becomeLeader(reply.Term)
   // if step down, return immediately
   return
}
if args.Term == rf.currentTerm {
   if reply.Success {
      // rf.matchIndex[server] = rf.lastIndex()
      // This is not safe, because rf.lastIndex could have been updated since when you sent the RPC
      // for example, after leader sending appendentries, it begins a Start() again.
      match := args.PrevLogIndex + len(args.Entries)
      next := match + 1
      rf.matchIndex[server] = max(match, rf.matchIndex[server])
      rf.nextIndex[server] = max(next, rf.nextIndex[server])
   } else  {
      rf.nextIndex[server]--
   }
   rf.leaderCommit()
}

  • 如果RPC Reply中Success为true，说明追加一致性检查通过，需要更新该Follower的nextIndex和matchIndex。注意：不能直接的将nextIndex设为Leader当前的最后一条日志的Index，因为可能Leader在发出AppendEntries后，日志的长度可能会发生改变，需将nextIndex设为PrevLogIndex+len(args.entries)。

  • 若不成功，递减nextIndex

  • 处理好后，Leader开始判断哪些日志可以提交，哪些不能

func (rf *Raft) applier() {
	// use condition value to avoid applier thread keep holding
	// the lock. when commitedIndex<=lastApplied wait.
	rf.mu.Lock()
	defer rf.mu.Unlock()
	for rf.killed() == false {
		// commit log
		if rf.commitedIndex > rf.lastApplied && rf.lastIndex() > rf.lastApplied {
			rf.lastApplied++
			applyMsg := ApplyMsg{
				CommandValid: true,
				Command:      rf.logAt(rf.lastApplied).Cmd,
				CommandIndex: rf.lastApplied,
			}
			rf.mu.Unlock()
			rf.applyCh <- applyMsg
			rf.mu.Lock()
		} else {
			rf.applyCond.Wait()
		}
	}
}

接下来看看applier，applier是每个Raft实例创建时开启的一个goroutine，用于将日志传输到applyChan，applier利用条件变量来控制同步。

  • 若commit index > lastApplied，就要进行apply
  • 反之，等待直到上面条件成立
func (rf *Raft) leaderCommit() {
	if rf.state != Leader {
		return
	}
	for i := rf.commitedIndex + 1; i <= rf.lastIndex(); i++ {
		// optimization: bypass logs that have different term with currentTerm
		if rf.logAt(i).Term != rf.currentTerm {
			continue
		}
		count := 1
		for peer := range rf.peers {
			if rf.me != peer && rf.matchIndex[peer] >= i {
				count++
			}
			if count > len(rf.peers)/2 {
				rf.commitedIndex = i
				// when ready to commit, wake up applier thread
				rf.applyCond.Broadcast()
				break
			}
		}
	}
}

Leader在处理完每个Follower的Reply后，就会判断是否有超过半数节点的matchIndex大于等于某一值，若等于，说明该索引上日志已经可以被提交，被则将commit index设为该值。之后唤醒applier线程进行apply

总结

......没什么好总结的，更新matchIndex和nextIndex时要注意取更新前和后的最大值以免日志回溯。

Lab2C：persistence