Penjelasan terperinci tentang proses pelaksanaan algoritma Raft di Golang

Bahasa Go (Golang) ialah bahasa pengaturcaraan yang dibangunkan oleh Google Ia menjadi semakin popular kerana prestasinya yang cemerlang dalam pengaturcaraan rangkaian dan pengaturcaraan serentak. Raft ialah algoritma konsensus teragih yang boleh digunakan untuk melaksanakan replikasi log, menyatakan replikasi mesin, pengurusan metadata dan medan lain. Artikel ini akan memperkenalkan proses dan pelaksanaan kod menggunakan Golang untuk melaksanakan algoritma Raft.

1. Pengenalan kepada algoritma Raft

Algoritma rakit ialah pemilihan pemimpin dan protokol replikasi log. Algoritma ini digunakan untuk ketekalan dalam sistem teragih, iaitu penyegerakan data antara berbilang nod. Idea reka bentuk algoritma Raft adalah untuk menjadikan pelaksanaannya mudah dan mudah difahami, sambil memastikan ketepatan. Algoritma Raft terdiri daripada tiga bahagian utama: pemilihan pemimpin, replikasi log dan semakan keselamatan.

1.1 Pemilihan pemimpin

Dalam Raft, setiap nod boleh berada di tiga negeri iaitu Follower, Calon dan Leader. Nod berada dalam keadaan Pengikut pada permulaan Jika nod tidak menerima maklumat (degupan jantung) daripada Pemimpin dalam penggal semasa semasa komunikasi antara nod, nod akan menjadi keadaan Calon dan memulakan pemilihan pemimpin. Semasa pilihan raya, Calon menghantar mesej RequestVote ke nod lain Jika nod lain menerima mesej ini, mereka akan menyemak penggal semasa mereka dan siapa yang telah mereka undi, dan kemudian memutuskan sama ada untuk mengundi Calon mengikut peraturan tertentu. Jika calon menerima majoriti undi dan tiada nod lain menjadi ketua, calon akan menjadi ketua penggal semasa dan mula menghantar mesej degupan jantung ke nod lain.

1.2 Replikasi Log

Selepas pemilihan pemimpin selesai, nod Pemimpin mula mengumpul arahan daripada klien dan menulis arahan ini ke log tempatan. Selepas Pemimpin menulis log tempatan, ia akan menghantar arahan ini kepada Pengikut melalui mesej AppendEntries, supaya mereka juga boleh menulis arahan ini ke log tempatan. Apabila Pengikut menerima mesej AppendEntries, ia menulis arahan dalam mesej ke log tempatan dan mengembalikan respons yang berjaya. Selepas Pemimpin menerima respons yang berjaya daripada kebanyakan Pengikut, ia menganggap bahawa arahan ini telah disalin dan boleh menghantar respons kepada klien.

1.3 Pemeriksaan Keselamatan

Untuk mengelakkan ketidakkonsistenan data, algoritma Raft perlu melakukan semakan keselamatan. Semakan keselamatan adalah dengan memerlukan nod untuk memastikan bahawa log sebelumnya telah direplikasi kepada majoriti nod sebelum menulis arahan ke log tempatannya. Ini memastikan bahawa nod mengetahui semua arahan yang direplikasi sebelum ia melengkapkan arahan.

2. Pelaksanaan Golang Raft

Untuk melaksanakan algoritma Raft di Golang, anda boleh bermula dari tiga aspek berikut. Pertama, peralihan negeri perlu ditakrifkan, kedua, pemilihan pemimpin dan replikasi log perlu dilaksanakan, dan akhirnya algoritma Raft perlu diuji.

2.1 Peralihan Negeri

Golang menggunakan jenis penghitungan untuk mentakrifkan peralihan keadaan. Kami boleh menentukan status nod, jenis mesej, dll. untuk memudahkan kami menulis kod dan ujian. Dalam algoritma Raft, kita perlu menentukan keadaan nod seperti Follower, Candidate dan Leader.

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 Pemilihan pemimpin

Golang boleh menggunakan goroutine dan saluran untuk melaksanakan pemilihan pemimpin. Apabila status nod bertukar kepada Calon, ia cuba untuk memulakan pusingan pilihan raya. Semasa proses pilihan raya, Calon perlu menghantar mesej RequestVote ke nod lain dan nod lain mengundi mengikut peraturan tertentu. Calon boleh menjadi nod Pemimpin jika ia menerima bilangan respons tertentu.

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 Replikasi log

Golang boleh menggunakan goroutine dan saluran untuk melaksanakan replikasi log. Selepas menerima arahan daripada klien, nod Pemimpin menulis arahan ini ke log setempat dan memulakan mesej AppendEntries untuk menghantar arahan ini ke nod Pengikut. Apabila mesej AppendEntries dihantar, Pemimpin menunggu jawapan daripada majoriti nod Pengikut Setelah respons yang mencukupi diterima, Pemimpin boleh menghantar respons kepada pelanggan.

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 Pengujian algoritma Raft

Untuk menguji algoritma Raft yang dilaksanakan oleh Golang, kes ujian yang sepadan perlu ditulis. Anda boleh menggunakan beberapa kes ujian dalam kertas Raft, seperti ranap Ketua, ranap Pengikut dan partition rangkaian. Berikut ialah kod pseudo kes ujian:

// 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 Ringkasan

Berbanding dengan pelaksanaan bahasa tradisional, kelebihan pelaksanaan algoritma Golang Raft ialah prestasi serentaknya. lebih baik, yang meningkatkan kecekapan kod. Artikel ini memperkenalkan cara melaksanakan algoritma Raft di Golang melalui peralihan negeri, pemilihan pemimpin, replikasi log dan ujian. Dalam aplikasi praktikal, bahasa yang sesuai dan kaedah pelaksanaan boleh dipilih mengikut senario tertentu untuk memenuhi keperluan sistem.

Atas ialah kandungan terperinci Penjelasan terperinci tentang proses pelaksanaan algoritma Raft di Golang. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!