6.4.1领导者选举

6.4.1 领导者选举

Raft 算法中，节点有三种角色，并且可以互相转换：

• 领导者（Leader）：接收 client（客户端）的所有请求，Raft 算法中所有的操作以 Leader 为准。Leader 平常的工作包括 3 个部分：处理写请求、管理日志复制、不断发送心跳信息通知其他节点”我是 Leader，我还活者，你们现在不要发起新的选举“；
• Follower（跟随者）：相当于普通群众，被动接收和处理来自 Leader 的消息。当 Leader 心跳超时时，就主动站出来，变成“候选人”；
• Candidate（候选人）：用于选举出一个新的 Leader。Candidate 向其他节点发送投票（RequestVote RPC）消息，通知其他节点来投票，如果赢得大多数选票，就升级为 Leader。

Raft 将整个系统的时间划分为一个个独立的阶段，

• 任期越大，话语权越大：本地任期较小的总是服从任期更好的消息来源。
• 每次选举，任期都会 +1：确保不会在多个选举过程中计票混乱。
• 一山不容二虎：同一个任期内只能选择出一个 Leader。

简单来说，任期标明了 Leader 的服役阶段。

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图 6-15 Raft term 与成员状态变更
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• 选举出现平票：假如有 2 个节点 A 和 B，它们的 term 都为 1。当 Leader 宕机后这两个节点转变为 Candidate 开始选举，但在选举阶段它们都没有达到大多数同意，这时节点 A 先发生随机时间超时，节点 A 把它的任期加 1，重新开始新的选举。由于各个节点都会无条件优先接受比自己任期更大的请求，所以，下一轮选举时，节点 A 肯定会得到大多数同意，成为 Leader。
• 集群出现脑裂：当 Leader 宕机后或者网络分区故障时，由于联系不上 Leader，Follower 会转变成 Candidate，把自己的 term 加 1，并选举成为新的 Leader，选举出来的新集群具有更大的 term。当之前宕机的 Leader 恢复或网络分区恢复后，旧的 Leader 虽然在运行，但它的 term 已经不足以形成多数派，一旦旧 Leader 发现有更大的 term 时，就会放弃自己 Leader 的角色转换为 Follower。

每个 Follower 在本地维持一个选举计时器，选举计时器到期前，如果没有收到 Leader 的日志或者心跳，那么就开始发起选举。Follower 向所有的节点发送投票消息（RequestVote RPC）结构如下：

{
  "term": 5,
  "candidateId": "candidate-123",
  "lastLogIndex": 10,
  "lastLogTerm": 4
}
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图 6-16 概述了 Raft 集群 Leader 选举过程。会发生下面的情况：

• 选举超时：发出的投票请求在固定时间内没有收到其他节点的响应，或者是收到响应（或者同意投票）的节点数量没有达到 N/2+1，那么选取超时进入下一轮选举。
• 选举成功：如果选举过程中收到大于N/2+1数量的节点的投票，那么选举成功，当前的节点成为新的 Leader。
• 选举失败：如果选举过程中收到来及其他节点的 Leader 心跳，或者是请求投票响应的 Term 大于当前的节点 Term，那么说明有新任期的 Leader，将转变为 Follower。

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图 6-16 Raft 选举过程
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Raft 算法中还有个很重要的概念 —— term，Raft 将时间分割为不同长度，称为 Leader 的 term（任期）。每个 term 由单调递增的数字（任期编号）标识。任期一般包含两阶段：第一阶段是选举阶段，第二阶段为已选举出领导者的阶段。但任期也可能只包含选举阶段（并没有成功选举出 Leader ）。如图 6-15 所示，term 1 开始一次新选举，这次选举成功并开始正常操作，term 2 同样如此，但 term 3 选举失败，进入 term 4。

term 在 Raft 中起到了逻辑时钟的作用，可用于保证在某些极端的情况下最终只有一个 Leader，例如下面两种情况：