如何对FastLeaderElection进行源码解析
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zookeeper作为常用的分布式协调器、注册中心，在初始化启动、leader宕机、或者与leader心跳超时等情况下，为保证集群可用性会进行重新选主。选主的默认算法是FastLeaderElection，本文会对FastLeaderElection进行解析。
选主入口
在QuorumPeer.run()方法中，进行主循环while(running)。如果当前状态为LOOKING，则进入重新选主的方法lookForLeader。
//主循环
while (running){
...
switch (getPeerState()) {
case LOOKING:
...
//调用makeLEStrategy获取选主策略，默认为FastLeaderElection
//进入lookForLeader方法，开启重新选主。
//把lookForLeader返回的结果调用setCurrentVote缓存起来。
setCurrentVote(makeLEStrategy().lookForLeader());
...
break;
case OBSERVING:
...
break;
case FOLLOWING:
...
break;
case LEADING:
break;
}
}选主流程
进入FastLeaderElection#lookForLeader后，代码大致逻辑如下
1.leader选举周期版本号+1，发起第一次投票，默认选自己。
2.开启循环，接收其他zk节点发来的投票通知
2.1接收不到其他节点的投票时，指数级延长接收等待时间并重新执行步骤2的循环
2.2接收到其他节点投票后，判断投票通知来源节点的状态
2.2.1投票来源节点为LOOKING状态，比较投票通知和本地投票信息缓存。比较投票周期版本号、决议zxid、zk节点的序号，判断哪个更有效。
2.2.1.2比较后重新计算本机当前的投票信息，包括推选的leader id、推选leader的决议zxid、leader选举周期版本号，并发送给集群其他节点
2.2.1.3判断本机最新的投票信息，在本机接收到的所有投票通知缓存中的数量，判断是否超过集群总数的一半
2.2.1.3.1未超过集群总数的一半，重新执行步骤2的循环
2.2.1.3.2超过集群总数的一半，尝试循环拉取投票队列中剩余的其他票。
2.2.1.3.2.1如果拉取到了其他投票，过滤掉无效的票，重新执行步骤2的循环。
2.2.1.3.2.2如果没有拉取到其他选票，设置当前节点的状态，LEADING、 FOLLOWING或者OBSERVING，清除缓存，返回最终leader的结果。
2.2.2投票来源节点为OBSERVING，此状态的节点不能投票，丢弃此票，继续执行步骤2的循环。
2.2.3投票来源节点为FOLLOWING，说明在集群内部已经选出主节点了，此时放弃自己的投票，查询outofelection中的其他节点的投票缓存，直接确定leader。设置当前节点状态为FOLLOWING或者OBSERVING，返回选票结果。
2.2.4投票来源节点为LEADING，说明在集群内部已经选出主节点了，此时放弃自己的投票，查询outofelection中的其他节点的投票缓存，直接确定leader。设置当前节点状态为FOLLOWING或者OBSERVING，返回选票结果。
/**
* 开始新一轮leader选举。每当我们的服务节点状态变更为LOOKING时，调用此方法，然后向所有其他对等方发送通知
*/
public Vote lookForLeader() throws InterruptedException {
try {
self.jmxLeaderElectionBean = new LeaderElectionBean();
MBeanRegistry.getInstance().register(self.jmxLeaderElectionBean, self.jmxLocalPeerBean);
} catch (Exception e) {
LOG.warn("Failed to register with JMX", e);
self.jmxLeaderElectionBean = null;
}
self.start_fle = Time.currentElapsedTime();
try {
/**
* 当前领导人选举的选票存储在recvset这个map中。换句话说，选票Vote在recvset中
* 必须满足条件v.electionEpoch == logicalclock(判定这个选票，是否属于这次选举周期)。
* 当前选举参与节点使用recvset来推断是否大多选举参与节点投了赞成票。
*/
Map recvset = new HashMap();
/**
* 历次leader选举的票数以及本次leader选举的票数均会存储在outofelection中。
* 注意，处于LOOKING状态的通知不会存储在outofelection中。
*
* 如果当前节点参与选举时，集群其他节点已经选举出了leader，则根据这个map中的数据直接跟随集群leader
*/
Map outofelection = new HashMap();
int notTimeout = minNotificationInterval;
synchronized (this) {
//选举的逻辑周期+1，表示发起新一届选举
logicalclock.incrementAndGet();
//更新投票信息，第一个参数表示选谁(默认选自己)，第二个参数表示当前本地日志中最新的决议zxid，第三个参数表示新的leader周期的epoch编号
updateProposal(getInitId(), getInitLastLoggedZxid(), getPeerEpoch());
}
LOG.info(
"New election. My id = {}, proposed zxid=0x{}",
self.getId(),
Long.toHexString(proposedZxid));
//发送投票信息，广播给其他节点
sendNotifications();
SyncedLearnerTracker voteSet = null;
/*
* 在循环中，我们和其他zk节点交换通知，直到找到一个leader
*/
while ((self.getPeerState() == ServerState.LOOKING) && (!stop)) {
//从接收队列中，拉取一个其他节点的投票通知，拉取超时时间为200ms
Notification n = recvqueue.poll(notTimeout, TimeUnit.MILLISECONDS);
//200ms内没有拉取到新的投票通知，则发送更多投票通知。
//拉取到了则否则处理新投票通知。
if (n == null) {
if (manager.haveDelivered()) {
sendNotifications();
} else {
manager.connectAll();
}
/*
* 指数级延长等待时间
*/
int tmpTimeOut = notTimeout * 2;
notTimeout = Math.min(tmpTimeOut, maxNotificationInterval);
self.getQuorumVerifier().revalidateVoteset(voteSet, notTimeout != minNotificationInterval);
if (self.getQuorumVerifier() instanceof QuorumOracleMaj && voteSet != null && voteSet.hasAllQuorums() && notTimeout != minNotificationInterval) {
setPeerState(proposedLeader, voteSet);
Vote endVote = new Vote(proposedLeader, proposedZxid, logicalclock.get(), proposedEpoch);
leaveInstance(endVote);
return endVote;
}
LOG.info("Notification time out: {} ms", notTimeout);
} else if (validVoter(n.sid) && validVoter(n.leader)) {
//判断这个投票的来源节点的状态
switch (n.state) {
//处于选举中的的状态
case LOOKING:
//当前日志中最新的zxid为-1，属于异常情况，直接退出
if (getInitLastLoggedZxid() == -1) {
LOG.debug("Ignoring notification as our zxid is -1");
break;
}
//投票通知中的zxid为-1，也属于异常情况，直接退出
if (n.zxid == -1) {
LOG.debug("Ignoring notification from member with -1 zxid {}", n.sid);
break;
}
//判断投票通知中的leader选举周期版本号，是否大于本地选举周期中的版本号
if (n.electionEpoch > logicalclock.get()) {
//本地leader选举周期版本号不是最新的，更新成更新的leader选举周期版本号
logicalclock.set(n.electionEpoch);
//清除空旧的选票map
recvset.clear();
//调用核心方法totalOrderPredicate
// 投票通知中的信息和本地初始化信息对比，判断投票是否有效
if (totalOrderPredicate(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch, getInitId(), getInitLastLoggedZxid(), getPeerEpoch())) {
//把接收到的投票通知中的信息，更新到本地投票信息中
updateProposal(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch);
} else {
//还是和之前一样，使用本地的投票信息
updateProposal(getInitId(), getInitLastLoggedZxid(), getPeerEpoch());
}
//广播发送新的投票通知
sendNotifications();
} else if (n.electionEpoch < logicalclock.get()) {
//接收的投票通知中的leader选举周期版本号比本地的旧，则丢弃这个投票通知
LOG.debug(
"Notification election epoch is smaller than logicalclock. n.electionEpoch = 0x{}, logicalclock=0x{}",
Long.toHexString(n.electionEpoch),
Long.toHexString(logicalclock.get()));
break;
} else if (totalOrderPredicate(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch, proposedLeader, proposedZxid, proposedEpoch)) {
//还是调用totalOrderPredicate方法
// 用投票通知中的信息，和本地当前缓存中最新的投票信息进行比对，如果投票中的比较新，则进入这里
updateProposal(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch);
sendNotifications();
}
LOG.debug(
"Adding vote: from={}, proposed leader={}, proposed zxid=0x{}, proposed election epoch=0x{}",
n.sid,
n.leader,
Long.toHexString(n.zxid),
Long.toHexString(n.electionEpoch));
//在选票map中存储选票
recvset.put(n.sid, new Vote(n.leader, n.zxid, n.electionEpoch, n.peerEpoch));
//proposedLeader、proposedZxid、proposedEpoch三个参数，表示当前zk服务根据已经接收到的投票，确定出的本机投选的leader信息
//调用getVoteTracker方法，对本机投选的leader的选票进行统计
voteSet = getVoteTracker(recvset, new Vote(proposedLeader, proposedZxid, logicalclock.get(), proposedEpoch));
//本机投选的leader是否获取了半数以上的票
if (voteSet.hasAllQuorums()) {
// 拉取投票接收队列中的剩余选票
while ((n = recvqueue.poll(finalizeWait, TimeUnit.MILLISECONDS)) != null) {
//判断选票是否更有效
if (totalOrderPredicate(n.leader, n.zxid, n.peerEpoch, proposedLeader, proposedZxid, proposedEpoch)) {
//如果有更有效的选票，则放回队列
recvqueue.put(n);
break;
}
}
/**
* 没有拉取到新的投票通知了，那么表示所有服务都不改票了
*/
if (n == null) {
//根据投票结果，设置当前节点的状态，LEADING、 FOLLOWING或者OBSERVING
setPeerState(proposedLeader, voteSet);
//创建最终选举结果的选票对象
Vote endVote = new Vote(proposedLeader, proposedZxid, logicalclock.get(), proposedEpoch);
//清空接收队列
leaveInstance(endVote);
//返回最终选举结果
return endVote;
}
}
break;
case OBSERVING:
LOG.debug("Notification from observer: {}", n.sid);
break;
case FOLLOWING:
//收到的投票通知中，投票来源的机器是FOLLOWING，说明在集群内部已经选出主节点了
//此时放弃自己的投票，查询outofelection中的投票，直接确定leader
Vote resultFN = receivedFollowingNotification(recvset, outofelection, voteSet, n);
if (resultFN == null) {
break;
} else {
return resultFN;
}
case LEADING:
//收到的投票通知中，投票来源的机器是LEADING，说明在集群内部已经选出主节点了
//此时放弃自己的投票，查询outofelection中的投票，直接确定leader
Vote resultLN = receivedLeadingNotification(recvset, outofelection, voteSet, n);
if (resultLN == null) {
break;
} else {
return resultLN;
}
default:
LOG.warn("Notification state unrecognized: {} (n.state), {}(n.sid)", n.state, n.sid);
break;
}
} else {
if (!validVoter(n.leader)) {
LOG.warn("Ignoring notification for non-cluster member sid {} from sid {}", n.leader, n.sid);
}
if (!validVoter(n.sid)) {
LOG.warn("Ignoring notification for sid {} from non-quorum member sid {}", n.leader, n.sid);
}
}
}
return null;
} finally {
try {
if (self.jmxLeaderElectionBean != null) {
MBeanRegistry.getInstance().unregister(self.jmxLeaderElectionBean);
}
} catch (Exception e) {
LOG.warn("Failed to unregister with JMX", e);
}
self.jmxLeaderElectionBean = null;
LOG.debug("Number of connection processing threads: {}", manager.getConnectionThreadCount());
}
} 核心投票有效性抉择逻辑
选LEADER主流程中，多次调用FastLeaderElection#totalOrderPredicate进行了投票有效性的比较，该逻辑是选主有效性抉择的核心逻辑。优先比较leader选举周期版本号epoch，相等时比较决议zxid，都相等时直接使用leader机器id大的。
/**
* 检查接收到的投票通知，是否为有效投票
* @param newId 新投票中的leader节点id
* @param newZxid 新投票中的决议id
* @param newEpoch 新投票中的leader选举周期版本号
* @param curId 当前本机投票中的leader节点id
* @param curZxid 当前本机投票中的决议id
* @param curEpoch 当前本机投票中的leader选举周期版本号
* @return 新投票更有效时返回true，否则false
*/
protected boolean totalOrderPredicate(long newId, long newZxid, long newEpoch, long curId, long curZxid, long curEpoch) {
LOG.debug(
"id: {}, proposed id: {}, zxid: 0x{}, proposed zxid: 0x{}",
newId,
curId,
Long.toHexString(newZxid),
Long.toHexString(curZxid));
if (self.getQuorumVerifier().getWeight(newId) == 0) {
return false;
}
/*
*如果以下三种情况之一成立，则返回true：
*1-投票中的leader选举周期版本号大于本地的
*2-leader选举版本号相同，但投票中的决议号zxid更高
*3-leader选举版本号和决议号zxid都相同，则比较zk机器本身的机器编号，判断投票中的机器编号是否大于当前机器编号
*/
return ((newEpoch > curEpoch)
|| ((newEpoch == curEpoch)
&& ((newZxid > curZxid)
|| ((newZxid == curZxid)
&& (newId > curId)))));
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