编写你的第一个 Java 版 Raft 分布式 KV 存储

蔚落 2022-03-26 06:12 166阅读 0赞

## 前言 ##

本文旨在讲述如何使用 Java 语言实现基于 Raft 算法的，分布式的，KV 结构的存储项目。该项目的背景是为了深入理解 Raft 算法，从而深刻理解分布式环境下数据强一致性该如何实现；该项目的目标是：在复杂的分布式环境中，多个存储节点能够保证数据强一致性。

项目地址：[https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv][https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv]

欢迎 star ：）

## 什么是 Java 版 Raft 分布式 KV 存储 ##

Raft 算法大部分人都已经了解，也有很多实现，从 GitHub 上来看，似乎 Golang 语言实现的较多，比较有名的，例如 etcd。而 Java 版本的，在生产环境大规模使用的实现则较少；

同时，他们的设计目标大部分都是命名服务，即服务注册发现，也就是说，他们通常都是基于 AP 实现，就像 DNS，DNS 是一个命名服务，同时也不是一个强一致性的服务。

比较不同的是 Zookeeper，ZK 常被大家用来做命名服务，但他更多的是一个分布式服务协调者。

而上面的这些都不是存储服务，虽然也都可以做一些存储工作。甚至像 kafka，可以利用 ZK 实现分布式存储。

回到我们这边。

此次我们语言部分使用 Java，RPC 网络通信框架使用的是蚂蚁金服 SOFA-Bolt，底层 KV 存储使用的是 RocksDB，其中核心的 Raft 则由我们自己实现（如果不自己实现，那这个项目没有意义）。 注意，该项目将舍弃一部分性能和可用性，以追求尽可能的强一致性。

## 为什么要费尽心力重复造轮子 ##

小时候，我们阅读关于高可用的文章时，最后都会提到一个问题：服务挂了怎么办？

通常有 2 种回答：

1.  如果是无状态服务，那么毫不影响使用。
2.  如果是有状态服务，可以将状态保存到一个别的地方，例如 Redis。如果 Redis 挂了怎么办？那就放到 ZK。

很多中间件，都会使用 ZK 来保证状态一致，例如 codis，kafka。因为使用 ZK 能够帮我们节省大量的时间。但有的时候，中间件的用户觉得引入第三方中间件很麻烦，那么中间件开发者会尝试自己实现一致性，例如 Redis Cluster， TiDB 等。

而通常自己实现，都会使用 Raft 算法，那有人问，为什么不使用"更牛逼的" paxos 算法？对不起，这个有点难，至少目前开源的、生产环境大规模使用的 paxos 算法实现还没有出现，只听过 Google 或者 alibaba 在其内部实现过，具体是什么样子的，这里我们就不讨论了。

回到我们的话题，为什么重复造轮子？从 3 个方面来回答：

1.  有的时候 ZK 和 etcd 并不能解决我们的问题，或者像上面说的，引入其他的中间件部署起来太麻烦也太重。
2.  完全处于好奇，好奇为什么 Raft 可以保证一致性（这通常可以通过汗牛充栋的文章来得到解答）？但是到底该怎么实现？
3.  分布式开发的要求，作为开发分布式系统的程序员，如果能够更深刻的理解分布式系统的核心算法，那么对如何合理设计一个分布式系统将大有益处。

好，有了以上 3 个原因，我们就有足够的动力来造轮子了，接下来就是如何造的问题了。

## 编写前的 Raft 理论基础 ##

任何实践都是理论先行。如果你对 Raft 理论已经非常熟悉，那么可以跳过此节，直接看实现的步骤。

Raft 为了算法的可理解性，将算法分成了 4 个部分。

1.  leader 选举
2.  日志复制
3.  成员变更
4.  日志压缩

同 zk 一样，leader 都是必须的，所有的写操作都是由 leader 发起，从而保证数据流向足够简单。而 leader 的选举则通过比较每个节点的逻辑时间（term）大小，以及日志下标（index）的大小。

刚刚说 leader 选举涉及日志下标，那么就要讲日志复制。日志复制可以说是 Raft 核心的核心，说简单点，Raft 就是为了保证多节点之间日志的一致。当日志一致，我们可以认为整个系统的状态是一致的。这个日志你可以理解成 mysql 的 binlog。

Raft 通过各种补丁，保证了日志复制的正确性。

Raft leader 节点会将客户端的请求都封装成日志，发送到各个 follower 中，如果集群中超过一半的 follower 回复成功，那么这个日志就可以被提交（commit），这个 commit 可以理解为 ACID 的 D ，即持久化。当日志被持久化到磁盘，后面的事情就好办了。

而第三点则是为了节点的扩展性。第四点是为了性能。相比较 leader 选举和 日志复制，不是那么的重要，可以说，如果没有成员变更和日志压缩，也可以搞出一个可用的 Raft 分布式系统，但没有 leader 选举和日志复制，是万万不能的。

因此，本文和本项目将重点放在 leader 选举和日志复制。

以上，就简单说明了 Raft 的算法，关于 Raft 算法更多的文章，请参考本人博客中的其他文章（包含官方各个版本论文和 PPT & 动画 & 其他博客文章），博客地址：thinkinjava.cn

## 实现的步骤 ##

实现目标：基于 Raft 论文实现 Raft 核心功能，即 Leader 选举 & 日志复制。

Raft 核心组件包括：一致性模块，RPC 通信，日志模块，状态机。

### 技术选型： ###

*  一致性模块，是 Raft 算法的核心实现，通过一致性模块，保证 Raft 集群节点数据的一致性。**这里我们需要自己根据论文描述去实现**。
 *  RPC 通信，可以使用 HTTP 短连接，也可以直接使用 TCP 长连接，考虑到集群各个节点频繁通信，同时节点通常都在一个局域网内，因此我们选用 TCP 长连接。而 Java 社区长连接框架首选 Netty，这里我们选用蚂蚁金服网络通信框架 SOFA-Bolt（基于 Netty），便于快速开发。
 *  日志模块，Raft 算法中，日志实现是基础，考虑到时间因素，我们选用 RocksDB 作为日志存储。
 *  状态机，可以是任何实现，其实质就是将日志中的内容进行处理。可以理解为 Mysql binlog 中的具体数据。由于我们是要实现一个 KV 存储，那么可以直接使用日志模块的 RocksDB 组件。

以上。我们可以看到，得益于开源世界，我们开发一个 Raft 存储，只需要编写一个“一致性模块”就行了，其他模块都有现成的轮子可以使用，真是美滋滋。

### 接口设计： ###

上面我们说了 Raft 的几个核心功能，事实上，就可以理解为接口。所以我们定义以下几个接口：

1.  Consensus， 一致性模块接口
2.  LogModule，日志模块接口
3.  StateMachine， 状态机接口
4.  RpcServer & RpcClient， RPC 接口
5.  Node，同时，为了聚合上面的几个接口，我们需要定义一个 Node 接口，即节点，Raft 抽象的机器节点。
6.  LifeCycle， 最后，我们需要管理以上组件的生命周期，因此需要一个 LifeCycle 接口。

接下来，我们需要详细定义核心接口 Consensus。我们根据论文定义了 2 个核心接口：

/**
         * 请求投票 RPC
         *
         * 接收者实现：
         *
         *      如果term < currentTerm返回 false （5.2 节）
         *      如果 votedFor 为空或者就是 candidateId，并且候选人的日志至少和自己一样新，那么就投票给他（5.2 节，5.4 节）
         */
        RvoteResult requestVote(RvoteParam param);
    
        /**
         * 附加日志(多个日志,为了提高效率) RPC
         *
         * 接收者实现：
         *
         *    如果 term < currentTerm 就返回 false （5.1 节）
         *    如果日志在 prevLogIndex 位置处的日志条目的任期号和 prevLogTerm 不匹配，则返回 false （5.3 节）
         *    如果已经存在的日志条目和新的产生冲突（索引值相同但是任期号不同），删除这一条和之后所有的 （5.3 节）
         *    附加任何在已有的日志中不存在的条目
         *    如果 leaderCommit > commitIndex，令 commitIndex 等于 leaderCommit 和 新日志条目索引值中较小的一个
         */
        AentryResult appendEntries(AentryParam param);

请求投票 & 附加日志。也就是我们的 Raft 节点的核心功能，leader 选举和 日志复制。实现这两个接口是 Raft 的关键所在。

然后再看 LogModule 接口，这个自由发挥，考虑日志的特点，我定义了以下几个接口：

void write(LogEntry logEntry);
    
    LogEntry read(Long index);
    
    void removeOnStartIndex(Long startIndex);
    
    LogEntry getLast();
    
    Long getLastIndex();

分别是写，读，删，最后是两个关于 Last 的接口，在 Raft 中，Last 是一个非常关键的东西，因此我这里单独定义了 2个方法，虽然看起来不是很好看 ：）

状态机接口，在 Raft 论文中，将数据保存到状态机，作者称之为应用，那么我们也这么命名，说白了，就是将已成功提交的日志应用到状态机中：

/**
         * 将数据应用到状态机.
         *
         * 原则上,只需这一个方法(apply). 其他的方法是为了更方便的使用状态机.
         * @param logEntry 日志中的数据.
         */
        void apply(LogEntry logEntry);
    
        LogEntry get(String key);
    
        String getString(String key);
    
        void setString(String key, String value);
    
        void delString(String... key);

第一个 apply 方法，就是 Raft 论文常常提及的方法，即将日志应用到状态机中，后面的几个方法，都是我为了方便获取数据设计的，可以不用在意，甚至于，这几个方法不存在也不影响 Raft 的实现，但影响 KV 存储的实现，试想：一个系统只有保存功能，没有获取功能，要你何用？。

RpcClient 和 RPCServer 没什么好讲的，其实就是 send 和 receive。

然后是 Node 接口，Node 接口也是 Raft 没有定义的，我们依靠自己的理解定义了几个接口：

/**
         * 设置配置文件.
         *
         * @param config
         */
        void setConfig(NodeConfig config);
    
        /**
         * 处理请求投票 RPC.
         *
         * @param param
         * @return
         */
        RvoteResult handlerRequestVote(RvoteParam param);
    
        /**
         * 处理附加日志请求.
         *
         * @param param
         * @return
         */
        AentryResult handlerAppendEntries(AentryParam param);
    
        /**
         * 处理客户端请求.
         *
         * @param request
         * @return
         */
        ClientKVAck handlerClientRequest(ClientKVReq request);
    
        /**
         * 转发给 leader 节点.
         * @param request
         * @return
         */
        ClientKVAck redirect(ClientKVReq request);

首先，一个 Node 肯定需要配置文件，所以有一个 setConfig 接口， 然后，肯定需要处理“请求投票”和“附加日志”，同时，还需要接收用户，也就是客户端的请求（不然数据从哪来？），所以有 handlerClientRequest 接口，最后，考虑到灵活性，我们让每个节点都可以接收客户端的请求，但 follower 节点并不能处理请求，所以需要重定向到 leader 节点，因此，我们需要一个重定向接口。

最后是生命周期接口，这里我们简单定义了 2 个，有需要的话，再另外加上组合接口：

void init() throws Throwable;
    
        void destroy() throws Throwable;

好，基本的接口定义完了，后面就是实现了。实现才是关键。

### Leader 选举的实现 ###

选举，其实就是一个定时器，根据 Raft 论文描述，如果超时了就需要重新选举，我们使用 Java 的定时任务线程池进行实现，实现之前，需要确定几个点：

1.  选举者必须不是 leader。
2.  必须超时了才能选举，具体超时时间根据你的设计而定,注意，每个节点的超时时间不能相同，应当使用随机算法错开（Raft 关键实现），避免无谓的死锁。
3.  选举者优先选举自己,将自己变成 candidate。
4.  选举的第一步就是把自己的 term 加一。
5.  然后像其他节点发送请求投票 RPC，请求参数参照论文，包括自身的 term，自身的 lastIndex，以及日志的 lastTerm。同时，请求投票 RPC 应该是并行请求的。
6.  等待投票结果应该有超时控制，如果超时了，就不等待了。
7.  最后，如果有超过半数的响应为 success，那么就需要立即变成 leader ，并发送心跳阻止其他选举。
8.  如果失败了，就需要重新选举。注意，这个期间，如果有其他节点发送心跳，也需要立刻变成 follower，否则，将死循环。

具体代码，可参见 [https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultNode.java\#L546][https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultNode.java_L546]

上面说的，其实是 Leader 选举中，请求者的实现，那么接收者如何实现呢？接收者在收到“请求投票” RPC 后，需要做以下事情：

1.  注意，选举操作应该是串行的，因为涉及到状态修改，并发操作将导致数据错乱。也就是说，如果抢锁失败，应当立即返回错误。
2.  首先判断对方的 term 是否小于自己，如果小于自己，直接返回失败。
3.  如果当前节点没有投票给任何人，或者投的正好是对方，那么就可以比较日志的大小，反之，返回失败。
4.  如果对方日志没有自己大，返回失败。反之，投票给对方，并变成 follower。变成 follower 的同时，异步的选举任务在最后从 condidate 变成 leader 之前，会判断是否是 follower，如果是 follower，就放弃成为 leader。这是一个兜底的措施。

具体代码参见 [https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultConsensus.java\#L51][https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultConsensus.java_L51]

到这里，基本就能够实现 Raft Leader 选举的逻辑。

注意，我们上面涉及到的 LastIndex 等参数，还没有实现，但不影响我们编写伪代码，毕竟日志复制比 leader 选举要复杂的多，我们的原则是从易到难。：）

## 日志复制的实现 ##

日志复制是 Raft 实现一致性的核心。

日志复制有 2 种形式，1种是心跳，一种是真正的日志，心跳的日志内容是空的，其他部分基本相同，也就是说，接收方在收到日志时，如果发现是空的，那么他就是心跳。

心跳

既然是心跳，肯定就是个定时任务，和选举一样。在我们的实现中，我们每 5 秒发送一次心跳。注意点：

1.  首先自己必须是 leader 才能发送心跳。
2.  必须满足 5 秒的时间间隔。
3.  并发的向其他 follower 节点发送心跳。
4.  心跳参数包括自身的 ID，自身的 term，以便让对方检查 term，防止网络分区导致的脑裂。
5.  如果任意 follower 的返回值的 term 大于自身，说明自己分区了，那么需要变成 follower，并更新自己的 term。然后重新发起选举。

具体代码查看：[https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultNode.java\#L695][https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultNode.java_L695]

然后是心跳接收者的实现，这个就比较简单了，接收者需要做几件事情：

1.  无论成功失败首先设置返回值，也就是将自己的 term 返回给 leader。
2.  判断对方的 term 是否大于自身，如果大于自身，变成 follower，防止异步的选举任务误操作。同时更新选举时间和心跳时间。
3.  如果对方 term 小于自身，返回失败。不更新选举时间和心跳时间。以便触发选举。

具体代码参见：[https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultConsensus.java\#L109][https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultConsensus.java_L109]

说完了心跳，再说说真正的日志附加。

简单来说，当用户向 Leader 发送一个 KV 数据，那么 Leader 需要将 KV数据封装成日志，并行的发送到其他的 follower 节点，只要在指定的超时时间内，有过半几点返回成功，那么久提交（持久化）这条日志，返回客户端成功，否者返回失败。

因此，Leader 节点会有一个 ClientKVAck handlerClientRequest(ClientKVReq request) 接口，用于接收用户的 KV 数据，同时，会并行向其他节点复制数据，具体步骤如下：

1.  每个节点都可能会接收到客户端的请求，但只有 leader 能处理，所以如果自身不是 leader，则需要转发给 leader。
2.  然后将用户的 KV 数据封装成日志结构，包括 term，index，command，预提交到本地。
3.  并行的向其他节点发送数据，也就是日志复制。
4.  如果在指定的时间内，过半节点返回成功，那么就提交这条日志。
5.  最后，更新自己的 commitIndex，lastApplied 等信息。

注意，复制不仅仅是简单的将这条日志发送到其他节点，这可能比我们想象的复杂，为了保证复杂网络环境下的一致性，Raft 保存了每个节点的成功复制过的日志的 index，即 nextIndex ，因此，如果对方之前一段时间宕机了，那么，从宕机那一刻开始，到当前这段时间的所有日志，都要发送给对方。

甚至于，如果对方觉得你发送的日志还是太大，那么就要递减的减小 nextIndex，复制更多的日志给对方。**注意：这里是 Raft 实现分布式一致性的关键所在**。

具体代码参见：[https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultNode.java\#L244][https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultNode.java_L244]

再来看看日志接收者的实现步骤：

1.  和心跳一样，要先检查对方 term，如果 term 都不对，那么就没什么好说的了。
2.  如果日志不匹配，那么返回 leader，告诉他，减小 nextIndex 重试。
3.  如果本地存在的日志和 leader 的日志冲突了，以 leader 的为准，删除自身的。
4.  最后，将日志应用到状态机，更新本地的 commitIndex，返回 leader 成功。

到这里，日志复制的部分就讲完了。

注意，实现日志复制的前提是，必须有一个正确的日志存储系统，即我们的 RocksDB，我们在 RocksDB 的基础上，使用一种机制，维护了 每个节点 的LastIndex，无论何时何地，都能够得到正确的 LastIndex，这是实现日志复制不可获取的一部分。

## 验证“Leader 选举”和“日志复制” ##

写完了程序，如何验证是否正确呢？

当然是写验证程序。

我们首先验证 “Leader 选举”。其实这个比较好测试。

1.  在 idea 中配置 5 个 application 启动项,配置 main 类为 RaftNodeBootStrap 类, 加入 -DserverPort=8775 -DserverPort=8776 -DserverPort=8777 -DserverPort=8778 -DserverPort=8779 系统配置, 表示分布式环境下的 5 个机器节点.
2.  依次启动 5 个 RaftNodeBootStrap 节点, 端口分别是 8775，8776， 8777, 8778, 8779.
3.  观察控制台, 约 6 秒后, 会发生选举事件,此时,会产生一个 leader. 而 leader 会立刻发送心跳维持自己的地位.
4.  如果leader 的端口是 8775, 使用 idea 关闭 8775 端口，模拟节点挂掉, 大约 15 秒后, 会重新开始选举, 并且会在剩余的 4 个节点中,产生一个新的 leader. 并开始发送心跳日志。

然后验证 日志复制，分为 2 种情况：

正常状态下

1.  在 idea 中配置 5 个 application 启动项,配置 main 类为 RaftNodeBootStrap 类, 加入 -DserverPort=8775 -DserverPort=8776 -DserverPort=8777 -DserverPort=8778 -DserverPort=8779
2.  依次启动 5 个 RaftNodeBootStrap 节点, 端口分别是 8775，8776， 8777, 8778, 8779.
3.  使用客户端写入 kv 数据.
4.  杀掉所有节点, 使用 junit test 读取每个 rocksDB 的值, 验证每个节点的数据是否一致.

非正常状态下

1.  在 idea 中配置 5 个 application 启动项,配置 main 类为 RaftNodeBootStrap 类, 加入 -DserverPort=8775 -DserverPort=8776 -DserverPort=8777 -DserverPort=8778 -DserverPort=8779
2.  依次启动 5 个 RaftNodeBootStrap 节点, 端口分别是 8775，8776， 8777, 8778, 8779.
3.  使用客户端写入 kv 数据.
4.  杀掉 leader （假设是 8775）.
5.  再次写入数据.
6.  重启 8775.
7.  关闭所有节点, 读取 RocksDB 验证数据一致性.

## Summary ##

本文并没有贴很多代码，如果要贴代码的话，阅读体验将不会很好，并且代码也不能说明什么，如果想看具体实现，可以到 github 上看看，顺便给个 star ：）

该项目 Java 代码约 2500 行，核心代码估计也就 1000 多行。你甚至可以说，这是个玩具代码，但我相信毕玄大师所说，玩具代码经过优化后，也是可以变成可在商业系统中真正健壮运行的代码（[http://hellojava.info/?p=508）][http_hellojava.info_p_508] ：）

回到我们的初衷，我们并不奢望这段代码能够运行在生产环境中，就像我的另一个项目 Lu-RPC 一样。但，经历了一次编写可正确运行的玩具代码的经历，下次再次编写工程化的代码，应该会更加容易些。这点我深有体会。

可以稍微展开讲一下，在写完 Lu-RPC 项目后，我就接到了开发生产环境运行的限流熔断框架任务，此时，开发 Lu-RPC 的经历让我在开发该框架时，更加的从容和自如：）

再回到 Raft 上面来，虽然上面的测试用例跑过了，程序也经过了我反反复复的测试，但不代表这个程序就是 100% 正确的，特别是在复杂的分布式环境下。如果你对 Raft 有兴趣，欢迎一起交流沟通 ：）

项目地址：[https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv][https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv]

[https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv]: https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv
[https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultNode.java_L546]: https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultNode.java#L546
[https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultConsensus.java_L51]: https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultConsensus.java#L51
[https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultNode.java_L695]: https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultNode.java#L695
[https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultConsensus.java_L109]: https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultConsensus.java#L109
[https_github.com_stateIs0_lu-raft-kv_blob_master_lu-raft-kv_src_main_java_cn_think_in_java_impl_DefaultNode.java_L244]: https://github.com/stateIs0/lu-raft-kv/blob/master/lu-raft-kv/src/main/java/cn/think/in/java/impl/DefaultNode.java#L244
[http_hellojava.info_p_508]: http://hellojava.info/?p=508%EF%BC%89