Golang で Raft アルゴリズムを実装するプロセスの詳細な説明
- PHPzオリジナル
- 2023-04-06 08:53:231010ブラウズ
Go 言語 (Golang) は、Google によって開発されたプログラミング言語であり、ネットワーク プログラミングと同時プログラミングにおける優れたパフォーマンスにより、ますます人気が高まっています。 Raft は、ログ レプリケーション、ステート マシン レプリケーション、メタデータ管理、その他の分野の実装に使用できる分散コンセンサス アルゴリズムです。この記事では、Golang を使用して Raft アルゴリズムを実装するプロセスとコード実装を紹介します。
1. Raft アルゴリズムの概要
Raft アルゴリズムは、リーダー選出およびログ複製プロトコルです。このアルゴリズムは、分散システムにおける一貫性、つまり複数のノード間のデータ同期のために使用されます。 Raft アルゴリズムの設計思想は、正確性を確保しながら、実装をシンプルかつ理解しやすくすることです。 Raft アルゴリズムは、リーダーの選出、ログの複製、セキュリティ チェックの 3 つの主要な部分で構成されています。
1.1 リーダーの選出
Raft では、各ノードはフォロワー、候補、リーダーの 3 つの状態になることができます。ノードは初期状態ではFollower状態にありますが、ノード間通信時に当期にLeaderからの情報(ハートビート)を受信しなかった場合、ノードはCandidate状態となり、リーダー選出が開始されます。選挙中、候補者は他のノードに RequestVote メッセージを送信し、他のノードがこのメッセージを受信すると、現在の任期と誰に投票したかを確認し、一定のルールに従って候補者に投票するかどうかを決定します。候補者が過半数の票を獲得し、他のノードがリーダーにならない場合、候補者は現在の任期のリーダーとなり、他のノードへのハートビート メッセージの送信を開始します。
1.2 ログ レプリケーション
リーダーの選択が完了すると、リーダー ノードはクライアントからコマンドの収集を開始し、これらのコマンドをローカル ログに書き込みます。リーダーがローカル ログを書き込んだ後、AppendEntries メッセージを通じてこれらのコマンドをフォロワーに送信し、フォロワーもこれらのコマンドをローカル ログに書き込むことができるようになります。 Follower が AppendEntries メッセージを受信すると、メッセージ内のコマンドをローカル ログに書き込み、成功した応答を返します。リーダーは、ほとんどのフォロワーから成功した応答を受信すると、これらのコマンドがコピーされたとみなして、クライアントに応答を送信できるようになります。
1.3 セキュリティ チェック
データの不整合を避けるために、Raft アルゴリズムはセキュリティ チェックを実行する必要があります。セキュリティ チェックでは、ローカル ログにコマンドを書き込む前に、以前のログが大部分のノードに複製されていることを確認するようノードに要求します。これにより、ノードはコマンドを完了する前に、複製されたすべてのコマンドを認識することができます。
2. Golang Raft の実装
Golang で Raft アルゴリズムを実装するには、次の 3 つの側面から始めることができます。まず、状態遷移を定義する必要があり、次に、リーダーの選出とログの複製を実装する必要があり、最後に Raft アルゴリズムをテストする必要があります。
2.1 状態遷移
Golang では状態遷移を定義するために列挙型が使用されます。コードの記述とテストを容易にするために、ノードのステータス、メッセージ タイプなどを定義できます。 Raft アルゴリズムでは、フォロワー、候補、リーダーなどのノードの状態を定義する必要があります。
type NodeStatus int const( Follower NodeStatus=0 Candidate NodeStatus=1 Leader NodeStatus=2 ) type MessageType int const( RequestVote MessageType=0 RequestVoteResponse MessageType=1 AppendEntries MessageType=2 AppendEntriesResponse MessageType=3 )
2.2 リーダー選挙
Golang では、ゴルーチンとチャネルを使用してリーダー選挙を実装できます。ノードのステータスが候補に変わると、ノードは選挙ラウンドの開始を試みます。選挙プロセス中、候補者は他のノードに RequestVote メッセージを送信する必要があり、他のノードは特定のルールに従って投票します。一定数の応答を受信した場合、候補はリーダー ノードになることができます。
func (rf *Raft) StartElection() {
rf.CurrentTerm++
rf.VotedFor = rf.ID
rf.State = Candidate
timer := time.NewTimer(randomElectionTime()) // 随机等待时间
defer timer.Stop()
voteCh := make(chan bool, len(rf.Peers))
var voteCount int32
for i := range rf.Peers {
if i == rf.ID { // 跳过自己
continue
}
go rf.RequestVote(i, voteCh)
}
for {
select {
case vote, ok := <-voteCh:
if ok && vote { // 投票同意
atomic.AddInt32(&voteCount, 1)
if atomic.LoadInt32(&voteCount) > int32(len(rf.Peers)/2) { // 获得大多数选票
go rf.BecomeLeader()
return
}
}
case <-timer.C: // 选举取消，重新开始
return
}
}
}
func (rf *Raft) RequestVote(peer int, voteCh chan bool) {
args := RequestVoteArgs{
Term: rf.CurrentTerm,
CandidateID: rf.ID,
LastLogIndex: rf.getLogIndex(len(rf.Logs) - 1),
LastLogTerm: rf.getLogTerm(len(rf.Logs) - 1),
}
var reply RequestVoteReply
ok := rf.Call(peer, RequestVote, &args, &reply)
if !ok {
return
}
if reply.Term > rf.CurrentTerm { // 收到新任期的请求
rf.UpdateTerm(reply.Term)
rf.BecomeFollower()
voteCh <- false
return
}
if reply.VoteGranted {
voteCh <- true
return
}
}2.3 ログ レプリケーション
Golang では、ゴルーチンとチャネルを使用してログ レプリケーションを実装できます。クライアントからコマンドを受信した後、リーダー ノードはこれらのコマンドをローカル ログに書き込み、AppendEntries メッセージを開始してこれらのコマンドをフォロワー ノードに送信します。 AppendEntries メッセージが送信されると、リーダーは大多数のフォロワー ノードからの応答を待ちます。十分な応答が受信されると、リーダーはクライアントに応答を送信できます。
func (rf *Raft) Start(entry interface{}) (int, int, bool) {
index := -1
term := -1
isLeader := atomic.LoadInt32(&rf.State) == Leader
if !isLeader { // 不是Leader，返回失败
return index, term, false
}
rf.mu.Lock()
defer rf.mu.Unlock()
index = rf.getLastLogIndex() + 1
term = rf.CurrentTerm
rf.Logs = append(rf.Logs, LogEntry{Term: term, Command: entry})
rf.persist() // 持久化状态
for i := range rf.Peers {
if i == rf.ID {
continue
}
args := AppendEntriesArgs{
Term: rf.CurrentTerm,
LeaderID: rf.ID,
PrevLogIndex: rf.getPrevLogIndex(i),
PrevLogTerm: rf.getPrevLogTerm(i),
Entries: rf.Logs[rf.getLogIndex(rf.getPrevLogIndex(i))+1:],
LeaderCommit: rf.CommitIndex,
}
go rf.sendEntries(i, args)
}
return index, term, true
}
func (rf *Raft) sendEntries(peer int, args AppendEntriesArgs) {
var reply AppendEntriesReply
ok := rf.Call(peer, AppendEntries, &args, &reply)
if !ok {
return
}
if reply.Term > rf.CurrentTerm { // 收到新任期的请求
rf.UpdateTerm(reply.Term)
rf.BecomeFollower()
return
}
// 处理回复
rf.mu.Lock()
defer rf.mu.Unlock()
if reply.Success == true {
// 更新MatchIndex和NextIndex
rf.MatchIndex[peer] = args.PrevLogIndex + len(args.Entries)
rf.NextIndex[peer] = rf.MatchIndex[peer] + 1
rf.commit()
} else {
// 递减NextIndex重试
rf.NextIndex[peer]--
}
}
2.4 Raft アルゴリズムのテスト
Golang によって実装された Raft アルゴリズムをテストするには、対応するテスト ケースを作成する必要があります。 Raft ペーパーでは、リーダー クラッシュ、フォロワー クラッシュ、ネットワーク パーティションなどのいくつかのテスト ケースを使用できます。以下はテスト ケースの疑似コードです:
// 创建三个节点，其中Server1是Leader
rafts := make([]*Raft, 3)
rafts[0] = Make(0, []int{1, 2}, 10, 1)
rafts[1] = Make(1, []int{0, 2}, 10, 1)
rafts[2] = Make(2, []int{0, 1}, 10, 1)
// 发送命令给Leader节点
index, term, success := rafts[0].Start("command")
// Leader crash测试用例
leaderIndex := findLeader(rafts) // 找出Leader
rafts[leaderIndex].mu.Lock()
// 删除Leader
for i := range rafts {
if i == leaderIndex {
continue
}
close(rafts[i].DownCh)
}
rafts[leaderIndex].mu.Unlock()
// 发送新命令给当前Leader
newIndex, newTerm, newSuccess := rafts[leaderIndex].Start("new command")
// 等待一段时间
time.Sleep(100 * time.Millisecond)
// 重新启动Leader节点
rafts[leaderIndex] = Make(leaderIndex, []int{0, 1, 2}, 10, 1)
// 检查是否恢复正常
...
3. 概要
従来の言語の実装と比較して、Golang Raft アルゴリズム実装の利点は、同時実行パフォーマンスが優れていることです。これにより、コードの実行効率が大幅に向上します。この記事では、状態遷移、リーダーの選出、ログのレプリケーション、テストを通じて、Golang で Raft アルゴリズムを実装する方法を紹介します。実際のアプリケーションでは、システムのニーズを満たすために、特定のシナリオに従って適切な言語と実装方法を選択できます。
以上がGolang で Raft アルゴリズムを実装するプロセスの詳細な説明の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。