【分布式协调器】Paxos的工程实现-Cocklebur状态转移

　　集群中的主机经过选举过程由Looking状态变为了Leadering或Following状态。而这些状态之间转移的条件是什么呢？先来个直观的，上状态图。

图 4.1 Cocklebur选举过程中的状态图

　　接下来我们对上面的状态图进行逐个分析，并且做出简要的解释说明。如果你对一些概念有所遗忘，请查阅“Cocklebur选举”一章中的名词解释。

Cocklebur状态转义描述

表 4-1 状态转移链接表

状态转移链接	条件	解释
Start->Looking	启动	主机进程实例一旦被启动都设置为Looking状态
Looking->Following	收到对自己加ACK锁主机的Lead消息，或者确定已经存在一个稳定的正常工作的多数派	发现之前给自己加ACK锁的候选者已经成为Leader，说明一定存在一个多数派以其作为Leader，故可以变为Following。另外当一个Looker发现已经存在一个稳定的服务集群（有稳定的Leader和Follower），则它会自动变为Follower加入集群
Looking->Leadering	获得多数派的ACK锁	改进段属于Paxos的第二阶段，候选者赢得了多数派（包括自己）的投票，那么他就多数派申请ACK锁，如果应答允许的节点依然可构成多数派，则说明候选者可以做为Leader
Following->Looking	Leader状态改变为非Leadering或向Leader申请租约超时	当发现Leader已经不是Leader，或者在超时内连接不到Leader，那么说明Leader已经失效，则需要重新选举
Leadering->Looking	租约有效的Follower不足majority-1	Leader维护这租约表，如果有效的Follower不少于majority-1，那么算上Leader自己可构成多数派。如果不满足此条件，则重新选举
*->end	宕机	主机宕机，任何状态归于结束

　　状态转移控制流程在源码的Cocklebur.cpp中的process方法中，只用到了一个switch语句。lookForLeader()、Following()、Leadering()，这三个方法完成了三态的运行流程，而每一个方法结束之前，已经确保了全局状态是否改变，这样在某个方法结束后，process方法就可以直接运行当前状态应该运行的控制流程。

　　lookForLeader()的算法逻辑我们已经在选举一章中分析过，接下来介绍一下Following()、Leadering()两个方法。这两个方法分别属于Follower对象与Leader对象。

Follower的实现

　　Follower每隔一段时间向Leader申请租约。所谓申请租约本质上是一种超时锁，而Follower申请的像是一种读锁，拥有租约之后Follower才能保证能从Leader同步到最新数据。Follower通过心跳的方式向Leader发送一个消息，Cocklebur中消息的结构如下：

struct HBMSG {

1: string my_host_name,

2: i32 cur_node_mode,

3: i64 xid,

}

　　这是使用thrift脚本格式去定义的结构体，它包含三个部分：消息发送者的主机名my_host_name、当前状态cur_node_mode、发送者的数据版本xid。

　　Follower根据配置定时向Leader发送一个HBMSG，同时也接收一个Leader返回的HBMSG。如果发现返回的HBMSG中Leader状态已经改变，那么它将结束Following流程。Follower的Client实现了一种超时机制，如果连接超时，HBMSG的my_host_name将被置为空串，这说明Leader失效，那么也将结束Following流程。

　　而xid的作用就是告知Follower与Leader双方是否需要同步数据。如果Follower发现数据版本xid小于Leader，并且Follower接到Client的同步（sync方法的调用）请求，那么则可以主动的去Leader同步。一般情况下Follower的xid可能会小于Leader一段时间，因为向Follower推送数据是Leader主动完成的。

　　当集群刚刚选举完毕，Leader往往还不会对外提供读写服务，因为Cocklebur认为在对外服务之前还有可能加入xid更大的Follower。那么此时Leader便会主动的去pull数据。也就是说Follower只有在client请求其向Leader同步时，Follower才会pull数据。

Leader的实现

　　Leader刚刚进入Leadering状态时会为每个多数派其他成员初始化一个租约列表，每个成员的租约期限有个默认值。之后就是不停的去减少租约表中的租约。如果接到了某个Follower申请租约的请求，Leader会为其重新审定租约期限。租约表就好像是一排沙漏，不停的漏沙子，而Follower按照一定时间间隔往自己漏斗中填一把沙子，保证不漏光。如果漏光了，那么Leader则会将其拿掉。如果有新的Follower加入，Leader则为其申请一个新的租约计时器。

　　当租约表中的Follower与自己构不成一个多数派时，Leader将会退出Leadering流程。当然这里面可以对一些超时选项加以配置。比如租约表为空之后可以不立即退出，租约被申请多次之后可以提高租约期限等等。

　　上文中提到了Leader在决定是否要对外服务之前同步数据的问题。选举完成后，Leader不马上让集群对外服务，而是等待一段时间看看时候还有新的Follower加入。如果这期间加入了Follower，Leader会轮流对其监察（通过HBMSG的方式），若检查发现xid比自己的大，则开始pull数据。数据操作后文会逐渐讲解。

　　最后大家可能会有一些疑问，Xid较大，一定代表他数据最新且正确吗？其实在进行同步时Leader会有一些机制去监察数据是否是正确的，整个集群在写数据时每个操作都记录在日志中，在任何时候集群中的每个节点都是一个状态机，只要经历的步骤顺序正确，那么一定可以保证xid的正确性（经历有限相同状态转移之后状态一致）。该部分也将会在后文中阐述。