揭开 Raft 的神秘面纱，和ApacheRatis 了解Raft 组件的使用
相比 Paxos， Raft 一直以来就是以易于理解著称。今天我们以一年 Raft 使用者的角度，来看一下，别人根据 Raft 论文实现了之后，我们一般要怎么样使用。
俗话说，要想知道梨子的味道，就要亲口尝一尝，没吃过猪肉，也要见一见猪跑。否则别人再怎么样形容，你可能还以为是像猫狗一类毛茸茸。
在 Raft 官网里长长的列表就能发现，实现 Raft 的框架目前不少。Java 里我大概看了蚂蚁的 SOFARaft 和 Apache 的 Ratis。这次我们以 Ratis 为例，揭开面纱，来看看到底要怎样使用。
当然，下面具体提到的例子，也是这些组件中自带的 example。
一、编译
github下载 Ratis 直接 mvn clean package 即可，如果编译过程中出错，可以先clean install ratis-proto
二、示例
Ratis 自带的示例有三个：
arithmetic
counter
filestore
在 ratis-examples 模块中，对于 arithmetic 和 filestore比较方便，可以通过main/bin目录下的 shell 脚本快速启动 Server 和 Client 来进行测试。
对于Raft，咱们都知道是需要多实例组成集群才能测试，你启动一个实例没啥用，连选主都成问题。Bin 目录下的 start-all 支持 example 的名称以及对应的命令。比如 filestore server 代表是启动 filestore 这个应用的server。对应的命令参数会在相应example里的 cli 中解析。同时会一次性启动三个server，组成一个集群并在周期内完成选举。
而对于 counter 这个示例，并没有相应的脚本来快速启动三个server，这个我们可以通过命令行或者在IDE里以参数的形式启动。
三、分析
下面我们来示例里看下 Raft Server 是怎样工作的。
对于 counter 示例来说，我们启动的时候，需要传入一个参数，代表当前的server是第几个，目的在于，要从 peers 列表中得知该用哪个IP + 端口去启动它。这里我们能发现，这个 peers 列表，是在代码内提前设置好的。当然你说动态配置啥的，也没啥问题，另外两个示例是通过shell 脚本里common 中的配置传入的。
所以，第一步我们看到， Raft Server 在启动的时候，会通过「配置」的形式，来知道 peer 之间的存在，这样才能彼此通信，让别人给自己投票或者给别人投票，完成 Term 内的选举。另外，才能接收到 Leader 传过来的 Log ，并且应用到本地。
第二步，我们来看下 Client 和 集群之间是如何通信的。整个 Raft 集群可能有多个实例，我们知道必须通过 Leader 来完成写操作。那怎样知道谁是Leader?有什么办法?
一般常见的思路有：
在写之前，先去集群内查一下，谁是 Leader，然后再写
随机拿一个写，不行再换一个，不停的试，总会有一个成功。
当然方式二这样试下去效率不太高。所以会在这个随机试一次之后，集群会将当前的 Leader 信息返回给 Client，然后 Client 直接通过这个建立连接进行通信即可。
在 Ratis 里， Client 调用非 Leader 节点会收到 Server 抛出的一个异常，异常中会包含一个称为 suggestLeader 的信息，表示当前正确的 Leader，按这个连上去就行。当然，如果如果在此过程中发生的 Leader 的变更，那就会有一个新的suggestLeader 返回来，再次重试。
我们来看 Counter 这个示例中的实现。
Server 和 Client 的共用的Common 代码中，包含 peers 的声明
public final class CounterCommon {
public static final List PEERS = new ArrayList<>(3);
static {
PEERS.add(new RaftPeer(RaftPeerId.getRaftPeerId("n1"), "127.0.0.1:6000"));
PEERS.add(new RaftPeer(RaftPeerId.getRaftPeerId("n2"), "127.0.0.1:6001"));
PEERS.add(new RaftPeer(RaftPeerId.getRaftPeerId("n3"), "127.0.0.1:6002"));
}
这里声明了三个节点。
通过命令行启动时，会直接把index 传进来, index 取值1-3。
java -cp *.jar org.apache.ratis.examples.counter.server.CounterServer {serverIndex}
然后在Server 启动的时候，拿到对应的配置信息。
//find current peer object based on application parameter
RaftPeer currentPeer =
CounterCommon.PEERS.get(Integer.parseInt(args[0]) - 1);
再设置存储目录
//set the storage directory (different for each peer) in RaftProperty object
File raftStorageDir = new File("./" + currentPeer.getId().toString());
RaftServerConfigKeys.setStorageDir(properties,
Collections.singletonList(raftStorageDir))
重点看这里，每个 Server 都会有一个状态机「CounterStateMachine」，平时我们的「业务逻辑」都放到这里
//create the counter state machine which hold the counter value
CounterStateMachine counterStateMachine = new CounterStateMachine();
客户端发送的命令，会在这个状态机中被执行，同时这些命令又以Log 的形式复制给其它节点，各个节点的Log 又会在它自己的状态机里执行，从而保证各个节点状态的一致。
最后根据这些配置，生成 Raft Server 实例并启动。
//create and start the Raft server
RaftServer server = RaftServer.newBuilder()
.setGroup(CounterCommon.RAFT_GROUP)
.setProperties(properties)
.setServerId(currentPeer.getId())
.setStateMachine(counterStateMachine)
.build();
server.start();
CounterStateMachine 里，应用计数的这一小段代码，我们看先检查了命令是否合法，然后执行命令
//check if the command is valid
String logData = entry.getStateMachineLogEntry().getLogData()
.toString(Charset.defaultCharset());
if (!logData.equals("INCREMENT")) {
return CompletableFuture.completedFuture(
Message.valueOf("Invalid Command"));
}
//update the last applied term and index
final long index = entry.getIndex();
updateLastAppliedTermIndex(entry.getTerm(), index);
//actual execution of the command: increment the counter
counter.incrementAndGet();
//return the new value of the counter to the client
final CompletableFuture f =
CompletableFuture.completedFuture(Message.valueOf(counter.toString()));
//if leader, log the incremented value and it's log index
if (trx.getServerRole() == RaftProtos.RaftPeerRole.LEADER) {
LOG.info("{}: Increment to {}", index, counter.toString());
}
我们再来看 Client 的实现。
和 Server 类似，通过配置属性，创建一个实例
private static RaftClient buildClient() {
RaftProperties raftProperties = new RaftProperties();
RaftClient.Builder builder = RaftClient.newBuilder()
.setProperties(raftProperties)
.setRaftGroup(CounterCommon.RAFT_GROUP)
.setClientRpc(
new GrpcFactory(new Parameters())
.newRaftClientRpc(ClientId.randomId(), raftProperties));
return builder.build();
}
然后就可以向Server发送命令开工了。
raftClient.send(Message.valueOf("INCREMENT"));
Counter 的状态机支持INCREMENT 和 GET 两个命令。所以example 最后执行了一个 GET 的命令来获取最终的计数结果
RaftClientReply count = raftClient.sendReadOnly(Message.valueOf("GET"));
四、内部部分实现
RaftClientImpl 里，初期会从peers列表中选一个，当成leader 去请求。
RaftClientImpl(ClientId clientId, RaftGroup group, RaftPeerId leaderId,
RaftClientRpc clientRpc, RaftProperties properties, RetryPolicy retryPolicy) {
this.clientId = clientId;
this.clientRpc = clientRpc;
this.peers = new ConcurrentLinkedQueue<>(group.getPeers());
this.groupId = group.getGroupId();
this.leaderId = leaderId != null? leaderId
: !peers.isEmpty()? peers.iterator().next().getId(): null;
...
}
之后，会根据server 返回的不同异常分别处理。
private RaftClientReply sendRequest(RaftClientRequest request) throws IOException {
RaftClientReply reply;
try {
reply = clientRpc.sendRequest(request);
} catch (GroupMismatchException gme) {
throw gme;
} catch (IOException ioe) {
handleIOException(request, ioe);
}
reply = handleLeaderException(request, reply, null);
reply = handleRaftException(reply, Function.identity());
return reply;
}
比如在 handleLeaderException 中，又分几种情况，因为通过Client 来和 Server 进行通讯的时候，会随机从peers里选择一个，做为leader去请求，如果 Server 返回异常，说它不是leader，就用下面的代码，随机从另外的peer里选择一个再去请求。
final RaftPeerId oldLeader = request.getServerId();
final RaftPeerId curLeader = leaderId;
final boolean stillLeader = oldLeader.equals(curLeader);
if (newLeader == null && stillLeader) {
newLeader = CollectionUtils.random(oldLeader,
CollectionUtils.as(peers, RaftPeer::getId));
}
static T random(final T given, Iterable iteration) {
Objects.requireNonNull(given, "given == null");
Objects.requireNonNull(iteration, "iteration == null");
final List list = StreamSupport.stream(iteration.spliterator(), false)
.filter(e -> !given.equals(e))
.collect(Collectors.toList());
final int size = list.size();
return size == 0? null: list.get(ThreadLocalRandom.current().nextInt(size));
}
是不是感觉很低效。如果这个时候，server 返回的信息里，告诉client 谁是 leader，那client 直接连上去就可以了是吧。
/**
* @return null if the reply is null or it has
* {@link NotLeaderException} or {@link LeaderNotReadyException}
* otherwise return the same reply.
*/
RaftClientReply handleLeaderException(RaftClientRequest request, RaftClientReply reply,
Consumer handler) {
if (reply == null || reply.getException() instanceof LeaderNotReadyException) {
return null;
}
final NotLeaderException nle = reply.getNotLeaderException();
if (nle == null) {
return reply;
}
return handleNotLeaderException(request, nle, handler);
}
RaftClientReply handleNotLeaderException(RaftClientRequest request, NotLeaderException nle,
Consumer handler) {
refreshPeers(nle.getPeers());
final RaftPeerId newLeader = nle.getSuggestedLeader() == null ? null
: nle.getSuggestedLeader().getId();
handleIOException(request, nle, newLeader, handler);
return null;