etcd raft library设计原理和使用

早在2013年11月份，在raft论文还只能在网上下载到草稿版时，我曾经写过一篇blog对其进行简要分析。4年过去了，各种raft协议的讲解铺天盖地，raft也确实得到了广泛的应用。其中最知名的应用莫过于etcd。etcd将raft协议本身实现为一个library，位于https://github.com/coreos/etcd/tree/master/raft，然后本身作为一个应用使用它。

本文不讲解raft协议核心内容，而是站在一个etcd raft library使用者的角度，讲解要用上这个library需要了解的东西。

这个library使用起来相对来说还是有点麻烦。官方有一个使用示例在 https://github.com/coreos/etcd/tree/master/contrib/raftexample。整体来说，这个库实现了raft协议核心的内容，比如append log的逻辑，选主逻辑，snapshot，成员变更等逻辑。需要明确的是：library没有实现消息的网络传输和接收，库只会把一些待发送的消息保存在内存中，用户自定义的网络传输层取出消息并发送出去，并且在网络接收端，需要调一个library的函数，用于将收到的消息传入library，后面会详细说明。同时，library定义了一个Storage接口，需要library的使用者自行实现。

Storage接口如下:

// Storage is an interface that may be implemented by the application
// to retrieve log entries from storage.
//
// If any Storage method returns an error, the raft instance will
// become inoperable and refuse to participate in elections; the
// application is responsible for cleanup and recovery in this case.
type Storage interface {
	// InitialState returns the saved HardState and ConfState information.
	InitialState() (pb.HardState, pb.ConfState, error)
	// Entries returns a slice of log entries in the range [lo,hi).
	// MaxSize limits the total size of the log entries returned, but
	// Entries returns at least one entry if any.
	Entries(lo, hi, maxSize uint64) ([]pb.Entry, error)
	// Term returns the term of entry i, which must be in the range
	// [FirstIndex()-1, LastIndex()]. The term of the entry before
	// FirstIndex is retained for matching purposes even though the
	// rest of that entry may not be available.
	Term(i uint64) (uint64, error)
	// LastIndex returns the index of the last entry in the log.
	LastIndex() (uint64, error)
	// FirstIndex returns the index of the first log entry that is
	// possibly available via Entries (older entries have been incorporated
	// into the latest Snapshot; if storage only contains the dummy entry the
	// first log entry is not available).
	FirstIndex() (uint64, error)
	// Snapshot returns the most recent snapshot.
	// If snapshot is temporarily unavailable, it should return ErrSnapshotTemporarilyUnavailable,
	// so raft state machine could know that Storage needs some time to prepare
	// snapshot and call Snapshot later.
	Snapshot() (pb.Snapshot, error)
}

这些接口在library中会被用到。熟悉raft协议的人不难理解。上面提到的官方示例https://github.com/coreos/etcd/tree/master/contrib/raftexample中使用了library自带的MemoryStorage，和etcd的wal和snap包做持久化，重启的时候从wal和snap中获取日志恢复MemoryStorage。

要提供这种IO/网络密集型的东西，提高吞吐最好的手段就是batch加批处理了。etcd raft library正是这么做的。

下面看一下为了做这事，etcd提供的核心抽象Ready结构体：

// Ready encapsulates the entries and messages that are ready to read,
// be saved to stable storage, committed or sent to other peers.
// All fields in Ready are read-only.
type Ready struct {
	// The current volatile state of a Node.
	// SoftState will be nil if there is no update.
	// It is not required to consume or store SoftState.
	*SoftState

	// The current state of a Node to be saved to stable storage BEFORE
	// Messages are sent.
	// HardState will be equal to empty state if there is no update.
	pb.HardState

	// ReadStates can be used for node to serve linearizable read requests locally
	// when its applied index is greater than the index in ReadState.
	// Note that the readState will be returned when raft receives msgReadIndex.
	// The returned is only valid for the request that requested to read.
	ReadStates []ReadState

	// Entries specifies entries to be saved to stable storage BEFORE
	// Messages are sent.
	Entries []pb.Entry

	// Snapshot specifies the snapshot to be saved to stable storage.
	Snapshot pb.Snapshot

	// CommittedEntries specifies entries to be committed to a
	// store/state-machine. These have previously been committed to stable
	// store.
	CommittedEntries []pb.Entry

	// Messages specifies outbound messages to be sent AFTER Entries are
	// committed to stable storage.
	// If it contains a MsgSnap message, the application MUST report back to raft
	// when the snapshot has been received or has failed by calling ReportSnapshot.
	Messages []pb.Message

	// MustSync indicates whether the HardState and Entries must be synchronously
	// written to disk or if an asynchronous write is permissible.
	MustSync bool
}

可以说，这个Ready结构体封装了一批更新，这些更新包括：

• pb.HardState: 包含当前节点见过的最大的term，以及在这个term给谁投过票，已经当前节点知道的commit index
• Messages: 需要广播给所有peers的消息
• CommittedEntries:已经commit了，还没有apply到状态机的日志
• Snapshot:需要持久化的快照

库的使用者从node结构体提供的一个ready channel中不断的pop出一个个的Ready进行处理，库使用者通过如下方法拿到Ready channel：

func (n *node) Ready() <-chan Ready { return n.readyc }

应用需要对Ready的处理包括:

1. 将HardState, Entries, Snapshot持久化到storage。
2. 将Messages(上文提到的msgs)非阻塞的广播给其他peers
3. 将CommittedEntries(已经commit还没有apply)应用到状态机。
4. 如果发现CommittedEntries中有成员变更类型的entry，调用node的ApplyConfChange()方法让node知道(这里和raft论文不一样，论文中只要节点收到了成员变更日志就应用)
5. 调用Node.Advance()告诉raft node，这批状态更新处理完了，状态已经演进了，可以给我下一批Ready让我处理。

应用通过raft.StartNode()来启动raft中的一个副本，函数内部通过启动一个goroutine运行

func (n *node) run(r *raft)

来启动服务。

应用通过调用

func (n *node) Propose(ctx context.Context, data []byte) error

来Propose一个请求给raft，被raft开始处理后返回。

增删节点通过调用

func (n *node) ProposeConfChange(ctx context.Context, cc pb.ConfChange) error

node结构体包含几个重要的channel:

// node is the canonical implementation of the Node interface
type node struct {
	propc      chan pb.Message
	recvc      chan pb.Message
	confc      chan pb.ConfChange
	confstatec chan pb.ConfState
	readyc     chan Ready
	advancec   chan struct{}
	tickc      chan struct{}
	done       chan struct{}
	stop       chan struct{}
	status     chan chan Status

	logger Logger
}

• propc: propc是一个没有buffer的channel，应用通过Propose接口写入的请求被封装成Message被push到propc中，node的run方法从propc中pop出Message，append自己的raft log中，并且将Message放入mailbox中(raft结构体中的msgs []pb.Message)，这个msgs会被封装在Ready中，被应用从readyc中取出来，然后通过应用自定义的transport发送出去。

• recvc: 应用自定义的transport在收到Message后需要调用

  func (n *node) Step(ctx context.Context, m pb.Message) error
  

  来把Message放入recvc中，经过一些处理后，同样，会把需要发送的Message放入到对应peers的mailbox中。后续通过自定义transport发送出去。

• readyc／advancec: readyc和advancec都是没有buffer的channel，node.run()内部把相关的一些状态更新打包成Ready结构体(其中一种状态就是上面提到的msgs)放入readyc中。应用从readyc中pop出Ready中，对相应的状态进行处理，处理完成后，调用

  rc.node.Advance()
  

  往advancec中push一个空结构体告诉raft，已经对这批Ready包含的状态进行了相应的处理，node.run()内部从advancec中得到通知后，对内部一些状态进行处理，比如把已经持久化到storage中的entries从内存(对应type unstable struct)中删除等。

• tickc:应用定期往tickc中push空结构体，node.run()会调用tick()函数，对于leader来说，tick()会给其他peers发心跳，对于follower来说，会检查是否需要发起选主操作。

• confc/confstatec:应用从Ready中拿出CommittedEntries，检查其如果含有成员变更类型的日志，则需要调用

  func (n *node) ApplyConfChange(cc pb.ConfChange) *pb.ConfState
  

  这个函数会push ConfChange到confc中，confc同样是个无buffer的channel，node.run()内部会从confc中拿出ConfChange，然后进行真正的增减peers操作，之后将最新的成员组push到confstatec中，而ApplyConfChange函数从confstatec pop出最新的成员组返回给应用。

可以说，要想用上etcd的raft library还是需要了解不少东西的。