SOFAJRaft核心源碼解析 - 高性能Java實(shí)現(xiàn)的Raft算法

大家好，我是 V 哥，SOFAJRaft 是螞蟻金服開(kāi)源的一個(gè)基于 Raft 共識(shí)算法的 Java 實(shí)現(xiàn)，它特別適合高負(fù)載、低延遲的分布式系統(tǒng)場(chǎng)景。SOFAJRaft 支持 Multi-Raft-Group，能夠同時(shí)處理多個(gè) Raft 集群，具有擴(kuò)展性和強(qiáng)一致性保障。這個(gè)項(xiàng)目是從百度的 braft 移植而來(lái)的，并且在性能和功能上做了多項(xiàng)優(yōu)化。今天的文章，V 哥來(lái)聊一聊SOFAJRaft的核心源碼實(shí)現(xiàn)。

打開(kāi)全球最大的基友網(wǎng)站 Github，搜索 sofa-jraft，可以找到SOFAJRaft庫(kù)的源碼實(shí)現(xiàn)：

SOFAJRaft 是一個(gè)基于 RAFT 一致性算法的生產(chǎn)級(jí)高性能 Java 實(shí)現(xiàn)，支持 MULTI-RAFT-GROUP，適用于高負(fù)載低延遲的場(chǎng)景。 使用 SOFAJRaft 你可以專注于自己的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，由 SOFAJRaft 負(fù)責(zé)處理所有與 RAFT 相關(guān)的技術(shù)難題，并且 SOFAJRaft 非常易于使用，你可以通過(guò)幾個(gè)示例在很短的時(shí)間內(nèi)掌握它。

V哥要介紹的不是基礎(chǔ)應(yīng)用，而是通過(guò)SOFAJRaft庫(kù)的實(shí)現(xiàn)原理，幫助兄弟們來(lái)理解Raft算法。

SOFAJRaft 核心概念

SOFAJRaft 的核心是 Raft 算法，它主要的組件包括：

• Leader 選舉：用于在集群中選出唯一的 Leader。
• 日志復(fù)制：Leader 將客戶端的請(qǐng)求日志復(fù)制到所有的 Follower。
• 日志一致性：通過(guò)多數(shù)派機(jī)制確保集群中的日志是一致的。
• 日志應(yīng)用：日志經(jīng)過(guò)多數(shù)派確認(rèn)后應(yīng)用到狀態(tài)機(jī)中。

核心源碼分析

1. Raft 節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)與初始化

SOFAJRaft 中的 Raft 節(jié)點(diǎn)通過(guò) NodeImpl 類進(jìn)行管理，它是 Raft 節(jié)點(diǎn)的核心實(shí)現(xiàn)。

public class NodeImpl implements Node, Lifecycle<NodeOptions>, Replicator.ReplicatorStateListener, StateMachineCaller.RaftStateMachineListener {
    // Raft 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)
    private volatile State state;
    private final RaftGroupId groupId; // Raft group ID
    private final PeerId serverId;     // 當(dāng)前節(jié)點(diǎn) ID
    private final NodeOptions options; // 節(jié)點(diǎn)選項(xiàng)配置

    
    // 構(gòu)造函數(shù)
    public NodeImpl(final String groupId, final PeerId serverId) {
        this.groupId = new RaftGroupId(groupId);
        this.serverId = serverId;
        this.options = new NodeOptions();
    }


    @Override
    public synchronized boolean init(final NodeOptions opts) {
        // 初始化配置
        this.options = opts;
        // 啟動(dòng)選舉定時(shí)器等邏輯
    }
}

在這里，NodeImpl 類的 init 方法用于初始化 Raft 節(jié)點(diǎn)，它會(huì)設(shè)置 Raft 節(jié)點(diǎn)的配置并啟動(dòng)選舉定時(shí)器等機(jī)制。

2. Leader 選舉

Raft 的 Leader 選舉是通過(guò)定時(shí)器和心跳機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng) Follower 沒(méi)有在一段時(shí)間內(nèi)收到 Leader 的心跳時(shí)，它會(huì)進(jìn)入選舉狀態(tài)。

public class ElectionTimer extends Timer {
    private final NodeImpl node;


    public ElectionTimer(NodeImpl node) {
        this.node = node;
    }


    @Override
    public void run() {
        // 處理選舉超時(shí)
        this.node.handleElectionTimeout();
    }
}

當(dāng)定時(shí)器超時(shí)時(shí)，會(huì)觸發(fā) handleElectionTimeout 方法進(jìn)行選舉。

private void handleElectionTimeout() {
    if (this.state != State.FOLLOWER) {
        return;
    }
    // 進(jìn)入候選者狀態(tài)
    becomeCandidate();
    // 發(fā)送投票請(qǐng)求
    sendVoteRequests();
}

這里的邏輯非常清晰了，當(dāng)節(jié)點(diǎn)是 Follower 并且發(fā)生選舉超時(shí)時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)換為候選者并開(kāi)始發(fā)送投票請(qǐng)求給其他節(jié)點(diǎn)。

3. 日志復(fù)制

在 Raft 中，Leader 負(fù)責(zé)將客戶端的請(qǐng)求日志復(fù)制到 Follower。

public class LeaderState {
    private final NodeImpl node;
    private final LogManager logManager;


    public LeaderState(NodeImpl node) {
        this.node = node;
        this.logManager = node.getLogManager();
    }


    public void replicateLog(final LogEntry logEntry) {
        // 將日志復(fù)制到 Follower 節(jié)點(diǎn)
        for (PeerId peer : node.getReplicatorList()) {
            Replicator replicator = node.getReplicator(peer);
            replicator.sendAppendEntries(logEntry);
        }
    }
}

在這里，Leader 通過(guò) Replicator 將日志復(fù)制到所有 Follower 節(jié)點(diǎn)，sendAppendEntries 方法會(huì)發(fā)送 AppendEntries 請(qǐng)求。

4. 日志一致性

Raft 算法通過(guò)多數(shù)派機(jī)制來(lái)確保日志的一致性，來(lái)看一下源碼：

public class AppendEntriesResponseHandler {
    private final NodeImpl node;


    public void handleResponse(AppendEntriesResponse response) {
        if (response.success) {
            // 更新提交的日志索引
            node.getLogManager().commitIndex(response.index);
        } else {
            // 如果失敗，可能需要重新發(fā)送日志或處理沖突
            node.handleLogReplicationFailure(response);
        }
    }
}

當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到 AppendEntriesResponse 時(shí)，如果復(fù)制成功，它會(huì)更新日志的提交索引，確保日志的一致性。

5. 狀態(tài)機(jī)應(yīng)用

一旦日志被提交，Raft 將這些日志應(yīng)用到狀態(tài)機(jī)中，以實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)狀態(tài)更新。

public class StateMachineCaller {
    private final StateMachine stateMachine;


    public void onApply(final List<LogEntry> entries) {
        // 將提交的日志應(yīng)用到狀態(tài)機(jī)
        for (LogEntry entry : entries) {
            stateMachine.apply(entry);
        }
    }
}

狀態(tài)機(jī)將處理客戶端請(qǐng)求并更新系統(tǒng)狀態(tài)，這里 apply 方法會(huì)被調(diào)用來(lái)執(zhí)行具體的業(yè)務(wù)邏輯。

我們繼續(xù)深入探討 SOFAJRaft 的其他核心部分，包括**日志管理（Log Management）**、**快照（Snapshot）機(jī)制**和**故障處理**，這些部分在分布式系統(tǒng)中都非常重要，尤其在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和高負(fù)載場(chǎng)景下。

6. 日志管理（Log Management）

日志管理是 Raft 協(xié)議中重要的一部分，它保證了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)間點(diǎn)所保存的日志能夠保持一致。SOFAJRaft 使用 LogManager 來(lái)管理日志的存儲(chǔ)和持久化。實(shí)現(xiàn)的代碼是這樣滴：

public class LogManager {
    private final List<LogEntry> logEntries; // 日志條目列表
    private long commitIndex;  // 當(dāng)前提交的日志索引
    private long lastApplied;  // 最后應(yīng)用的日志索引


    public LogManager() {
        this.logEntries = new ArrayList<>();
    }


    public synchronized void appendEntry(LogEntry entry) {
        // 將新日志添加到日志列表
        logEntries.add(entry);
    }


    public synchronized void commitIndex(long newCommitIndex) {
        // 更新提交索引，保證提交的日志能在狀態(tài)機(jī)中被應(yīng)用
        this.commitIndex = newCommitIndex;
    }


    public synchronized List<LogEntry> getUnappliedEntries() {
        // 獲取尚未應(yīng)用到狀態(tài)機(jī)的日志
        return logEntries.subList((int) lastApplied + 1, (int) commitIndex + 1);
    }


    public void applyLogsToStateMachine(StateMachine stateMachine) {
        List<LogEntry> unappliedEntries = getUnappliedEntries();
        for (LogEntry entry : unappliedEntries) {
            stateMachine.apply(entry); // 應(yīng)用日志到狀態(tài)機(jī)
            lastApplied++;
        }
    }
}

在日志管理中，LogManager 負(fù)責(zé)維護(hù) Raft 節(jié)點(diǎn)的所有日志條目，并根據(jù)多數(shù)派的確認(rèn)來(lái)更新提交的日志索引。當(dāng)提交的日志多于 commitIndex 時(shí)，這些日志可以應(yīng)用到狀態(tài)機(jī)中。applyLogsToStateMachine 方法則負(fù)責(zé)將日志條目應(yīng)用到狀態(tài)機(jī)。

7. 快照機(jī)制（Snapshot）

在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的集群中，如果僅僅依賴日志復(fù)制，日志可能會(huì)積累得非常龐大，影響性能和磁盤(pán)空間的使用。那要腫么辦呢？因此，Raft 設(shè)計(jì)了快照（Snapshot）機(jī)制來(lái)定期將當(dāng)前狀態(tài)持久化，并丟棄已經(jīng)持久化的日志。

public class SnapshotManager {
    private final StateMachine stateMachine;
    private final LogManager logManager;
    private long lastSnapshotIndex;


    public SnapshotManager(StateMachine stateMachine, LogManager logManager) {
        this.stateMachine = stateMachine;
        this.logManager = logManager;
    }


    public void takeSnapshot() {
        // 生成新的快照
        Snapshot snapshot = stateMachine.saveSnapshot();
        this.lastSnapshotIndex = logManager.getLastAppliedIndex();
        // 持久化快照到磁盤(pán)
        persistSnapshot(snapshot);
        // 清理舊的日志條目
        logManager.truncatePrefix(lastSnapshotIndex);
    }


    private void persistSnapshot(Snapshot snapshot) {
        // 將快照寫(xiě)入磁盤(pán)的實(shí)現(xiàn)邏輯
        // 如將 snapshot 對(duì)象序列化并寫(xiě)入文件系統(tǒng)
    }
}

在 SnapshotManager 中，takeSnapshot 方法會(huì)觸發(fā)狀態(tài)機(jī)生成當(dāng)前的快照，并持久化到磁盤(pán)。當(dāng)快照創(chuàng)建完成后，舊的日志條目可以被截?cái)嘁葬尫糯鎯?chǔ)空間。這極大地減少了日志的冗余，提高了系統(tǒng)的性能。

8. 故障處理與恢復(fù)

SOFAJRaft 具有健全的故障處理機(jī)制，能夠處理節(jié)點(diǎn)的崩潰和網(wǎng)絡(luò)分區(qū)等情況。Raft 協(xié)議通過(guò)日志復(fù)制和 Leader 選舉機(jī)制來(lái)保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

Follower 的故障恢復(fù)

當(dāng) Follower 恢復(fù)之后，會(huì)向 Leader 請(qǐng)求缺失的日志，Leader 會(huì)通過(guò) InstallSnapshot 或者 AppendEntries 來(lái)將最新的日志發(fā)送給 Follower。

public class FollowerRecovery {
    private final NodeImpl node;
    private final LogManager logManager;


    public FollowerRecovery(NodeImpl node) {
        this.node = node;
        this.logManager = node.getLogManager();
    }


    public void handleInstallSnapshot(InstallSnapshotRequest request) {
        // 收到 Leader 的快照安裝請(qǐng)求
        Snapshot snapshot = request.getSnapshot();
        node.getStateMachine().loadSnapshot(snapshot);
        logManager.reset(snapshot.getLastIndex());
    }


    public void handleAppendEntries(AppendEntriesRequest request) {
        // 收到 Leader 的日志復(fù)制請(qǐng)求
        List<LogEntry> entries = request.getEntries();
        logManager.appendEntries(entries);
    }
}

handleInstallSnapshot 用于處理 Leader 發(fā)送的快照請(qǐng)求，當(dāng)日志缺失過(guò)多時(shí)，Leader 會(huì)將整個(gè)快照發(fā)給 Follower，避免重復(fù)發(fā)送大量的日志。handleAppendEntries 則用于正常情況下的日志復(fù)制和恢復(fù)。

Leader 的故障恢復(fù)

Leader 故障后，集群會(huì)通過(guò)新的 Leader 選舉恢復(fù)正常工作。Leader 選舉過(guò)程在前面的部分已經(jīng)詳細(xì)介紹，當(dāng)一個(gè)新的 Leader 被選出后，它會(huì)嘗試將自己的日志與 Follower 同步。

public class LeaderRecovery {
    private final NodeImpl node;
    private final LogManager logManager;


    public LeaderRecovery(NodeImpl node) {
        this.node = node;
        this.logManager = node.getLogManager();
    }


    public void catchUpFollowers() {
        // 向所有 Follower 發(fā)送最新的日志條目
        for (PeerId peer : node.getReplicatorList()) {
            Replicator replicator = node.getReplicator(peer);
            replicator.sendAppendEntries(logManager.getUncommittedEntries());
        }
    }
}

新的 Leader 會(huì)調(diào)用 catchUpFollowers 來(lái)確保所有的 Follower 都與它保持一致，利用 Raft 的日志復(fù)制機(jī)制恢復(fù)一致性。

9. Multi-Raft-Group 的支持

SOFAJRaft 的一大特色是對(duì) Multi-Raft-Group 的支持，也就是說(shuō)，它能夠管理多個(gè)獨(dú)立的 Raft 集群。這使得它在一些需要分片或者不同業(yè)務(wù)隔離的場(chǎng)景中能夠很好地應(yīng)用。

public class MultiRaftGroupManager {
    private final Map<String, NodeImpl> raftGroups = new ConcurrentHashMap<>();


    public NodeImpl createRaftGroup(String groupId, PeerId serverId, NodeOptions options) {
        NodeImpl node = new NodeImpl(groupId, serverId);
        node.init(options);
        raftGroups.put(groupId, node);
        return node;
    }


    public NodeImpl getRaftGroup(String groupId) {
        return raftGroups.get(groupId);
    }
}

MultiRaftGroupManager 負(fù)責(zé)管理多個(gè) Raft 集群，通過(guò) createRaftGroup 方法可以創(chuàng)建新的 Raft 集群，每個(gè)集群都有自己的 NodeImpl 實(shí)例。這種架構(gòu)設(shè)計(jì)讓系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè) Raft 實(shí)例，從而大幅提升擴(kuò)展性。

總結(jié)

SOFAJRaft 基于 Raft 算法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高性能、支持 Multi-Raft-Group 的分布式一致性系統(tǒng)。它通過(guò) NodeImpl 負(fù)責(zé) Raft 節(jié)點(diǎn)的管理，通過(guò) Leader 選舉、日志復(fù)制、多數(shù)派機(jī)制等實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)中的強(qiáng)一致性。

關(guān)鍵代碼展示了從節(jié)點(diǎn)初始化到日志復(fù)制和一致性維護(hù)的核心流程，這些是 Raft 算法的重要組成部分。

SOFAJRaft 的設(shè)計(jì)通過(guò)日志管理、快照機(jī)制、故障處理以及 Multi-Raft-Group 的支持，提供了一個(gè)健壯且高效的分布式一致性解決方案。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵代碼的分析，我們可以看到它在處理日志復(fù)制、一致性維護(hù)和快照生成上的精妙實(shí)現(xiàn)，能夠有效應(yīng)對(duì)高負(fù)載、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的分布式系統(tǒng)場(chǎng)景。

好了，整理的學(xué)習(xí)筆記就到這里，分享給大家，希望可以幫助你更加深入的理解 Raft 算法，V 哥在這里求個(gè)關(guān)注和點(diǎn)贊，感謝感謝。