Raft 演算法詳解（二）日誌複製

在 raft 演算法中，副本資料是以日誌的形式存在的，領導者接收到來自客戶端寫請求後，處理寫請求的過程就是乙個複製和提交日誌項的過程。

那 raft 是如何複製日誌的呢？又如何實現日誌的一致的呢？這些內容是 raft 中非常核心的內容，首先，咱們先來理解日誌，這是你掌握如何複製日誌、實現日誌一致的基礎。

如何理解日誌？

剛剛我提到，副本資料是以日誌的形式存在的，日誌是由日誌項組成，日誌項究竟是什麼樣子呢？

其實，日誌項是一種資料格式，它主要包含使用者指定的資料，也就是指令（command），還包含一些附加資訊，比如索引值（log index）、任期編號（term）。那你該怎麼理解這些資訊呢？

指令：一條由客戶端請求指定的、狀態機需要執行的指令。你可以將指令理解成客戶端指定的資料。

索引值：日誌項對應的整數索引值。它其實就是用來標識日誌項的，是乙個連續的、單調遞增的整數號碼。

任期編號：建立這條日誌項的領導者的任期編號。

從圖中你可以看到，一屆領導者任期，往往有多條日誌項。而且日誌項的索引值是連續的，這一點你需要注意

講到這兒你可能會問：不是說 raft 實現了各節點間日誌的一致嗎？那為什麼圖中 4 個跟隨者的日誌都不一樣呢？日誌是怎麼複製的呢？又該如何實現日誌的一致呢？別著急，接下來咱們就來解決這幾個問題。先來說說如何複製日誌。

如何複製日誌？

你可以把 raft 的日誌複製理解成乙個優化後的二階段提交（將二階段優化成了一階段），減少了一半的往返訊息，也就是降低了一半的訊息延遲。那日誌複製的具體過程是什麼呢？

接著，如果領導者接收到大多數的「複製成功」響應後，它將日誌項提交到它的狀態機，並返回成功給客戶端。如果領導者沒有接收到大多數的「複製成功」響應，那麼就返回錯誤給客戶端。

學到這裡，有同學可能有這樣的疑問了，領導者將日誌項提交到它的狀態機，怎麼沒通知跟隨者提交日誌項呢？

這是 raft 中的乙個優化，領導者不直接傳送訊息通知其他節點提交指定日誌項。因為領導者的日誌複製 rpc 訊息或心跳訊息，包含了當前最大的，將會被提交的日誌項索引值。所以通過日誌複製 rpc 訊息或心跳訊息，跟隨者就可以知道領導者的日誌提交位置資訊。

因此，當其他節點接受領導者的心跳訊息，或者新的日誌複製 rpc 訊息後，就會將這條日志項提交到它的狀態機。而這個優化，降低了處理客戶端請求的延遲，將二階段提交優化為了一段提交，降低了一半的訊息延遲。

我們後再走一遍這個過程，這樣可以更加全面地掌握日誌複製。

接收到客戶端請求後，領導者基於客戶端請求中的指令，建立乙個新日誌項，並附加到本地日誌中。

不過，這是乙個理想狀態下的日誌複製過程。在實際環境中，複製日誌的時候，你可能會遇到程序崩潰、伺服器宕機等問題，這些問題會導致日誌不一致。那麼在這種情況下，raft 演算法是如何處理不一致日誌，實現日誌的一致的呢？

如何實現日誌的一致？

在 raft 演算法中，領導者通過強制跟隨者直接複製自己的日誌項，處理不一致日誌。也就是說，raft 是通過以領導者的日誌為準，來實現各節點日誌的一致的。具體有 2 個步驟。

首先，領導者通過日誌複製 rpc 的一致性檢查，找到跟隨者節點上，與自己相同日誌項的最大索引值。也就是說，這個索引值之前的日誌，領導者和跟隨者是一致的，之後的日誌是不一致的了。

然後，領導者強制跟隨者更新覆蓋的不一致日誌項，實現日誌的一致。

我們來詳細地走一遍這個過程（為了方便演示，我們引入 2 個新變數）。

prevlogentry：表示當前要複製的日誌項，前面一條日誌項的索引值。比如在圖中，如果領導者將索引值為 8 的日誌項傳送給跟隨者，那麼此時 prevlogentry 值為 7。

prevlogterm：表示當前要複製的日誌項，前面一條日誌項的任期編號，比如在圖中，如果領導者將索引值為 8 的日誌項傳送給跟隨者，那麼此時 prevlogterm 值為 4。

領導者通過日誌複製 rpc 訊息，傳送當前最新日誌項到跟隨者（為了演示方便，假設當前需要複製的日誌項是最新的），這個訊息的 prevlogentry 值為 7，prevlogterm 值為 4。

如果跟隨者在它的日誌中，找不到與 prevlogentry 值為 7、prevlogterm 值為 4 的日志項，也就是說它的日誌和領導者的不一致了，那麼跟隨者就會拒絕接收新的日誌項，並返回失敗資訊給領導者。

這時，領導者會遞減要複製的日誌項的索引值，並傳送新的日誌項到跟隨者，這個訊息的 prevlogentry 值為 6，prevlogterm 值為 3。

如果跟隨者在它的日誌中，找到了 prevlogentry 值為 6、prevlogterm 值為 3 的日誌項，那麼日誌複製 rpc 返回成功，這樣一來，領導者就知道在 prevlogentry 值為 6、 prevlogterm 值為 3 的位置，跟隨者的日誌項與自己相同。

領導者通過日誌複製 rpc，複製並更新覆蓋該索引值之後的日誌項（也就是不一致的日志項），最終實現了集群各節點日誌的一致。

從上面步驟中你可以看到，領導者通過日誌複製 rpc 一致性檢查，找到跟隨者節點上與自己相同日誌項的最大索引值，然後複製並更新覆蓋該索引值之後的日誌項，實現了各節點日志的一致。需要你注意的是，跟隨者中的不一致日誌項會被領導者的日誌覆蓋，而且領導者從來不會覆蓋或者刪除自己的日誌。