Raft算法系列教程1：Leader选举

备注：Raft将分布式一致性分解为多个子问题：Leader选举（Leader election）、日志复制（Log replication）、安全性（Safety）、日志压缩（Log compaction）等。欢迎大家持续关注本系列内容！

备注：本系列内容专供网站核心社群成员学习使用。

1、服务器的三种角色

Raft算法中服务器主要分为三种角色：Leader、Follower、Candidate，并且三种角色相互独立，也就是服务器在同一时间内只可能扮演其中一种角色。

Leader：用于对所有用户的请求进行处理以及日志的复制等等。
Follower：不会主动发送消息，只响应来自Leader与Candidate的请求。
Candidate：用于选举新的Leader。

2、任期介绍

Raft 算法将时间划分成为任意不同长度的任期（term）。任期用连续的数字进行表示。每一个任期的开始都是一次选举（election），一个或多个候选人会试图成为领导人。如果一个候选人赢得了选举，它就会在该任期的剩余时间担任领导人。在某些情况下，选票会被瓜分，有可能没有选出领导人，那么，将会开始另一个任期，并且立刻开始下一次选举。Raft 算法保证在给定的一个任期最多只有一个领导人。

3、网络状态

网络状态分为两种情况：选举阶段，正常运行阶段。备注：网络状态还可能会有成员变化阶段，暂时先不考虑。

每一个任期都是以选举阶段开始。但不一定以正常运行阶段结束。在某些情况下一个完整的任期可能全部为选举阶段。如下图:

4、选举阶段->正常运行阶段

在网络初始化时，网络中所有的服务器都以Follower的角色启动。由于Follower只被动接收消息，所以全网中所有服务器都处于等待状态。同时每一个服务器都在本地维护一个计时器。计时器的作用很简单，就是判断当前阶段(选举阶段或正常运行阶段)是否超时，而当计时器超时后，任期将会加1。

总之，在网络启动后所有服务器等待指定长度的一段时间之后，计时器将会超时。这时候计时器超时的服务器将转换自己的角色为Candidate，从而进入选举阶段。进入选举阶段的Candidate将会做以下几件事:

（1）将自己的任期号加1。
（2）为自己投一票用以选举出新的Leader。
（3）将本地的计时器重置。
（4）发送投票请求到网络中的其他所有的服务器。
（5）等待下一次的计时器超时。

同时，投票选举Leader具有以下几点要求:

（1）每个服务器在一个任期内只能投一票，并且只能投先到者(即投票给自己收到的第一个请求)。如果没有先到者，只能投票选自己了。
（2）请求投票的消息中需要带有请求者所处的当前任期号。
（3）投票者只会投票给任期号大于等于自己当前任期号的服务器。

在选举状态会出现三种结果:

（1）自己成功当选Leader
（2）网络中其他服务器当选Leader
（3）网络中没有服务器当选Leader

当网络中某一个Candidate接收到网络中大多数成员的投票后，即可将自己的身份转换为Leader。在当选Leader后，该服务器将周期性地发送心跳信息(心跳信息包含成功当选Leader的服务器的当前任期号)到网络中其他服务器。在网络中其他的服务器收到心跳信息后检查心跳消息中的任期号是否大于等于自己的任期号。如果满足该条件的话Candidate将会转换为Follower状态，并重置计时器。而如果任期号小于自己的任期号，服务器将拒绝该心跳消息并继续处于Candidate状态。

第三种情况为网络中没有服务器成功当选Leader。这种情况在有很多Follower同时成为Candidate时会发生。因为当角色转换为Candidate后将会将选票投给自己，从而导致选票被分散开来，没有Candidate可以得到网络中大部分节点的选票，从而没有节点可以成为Leader。这种情况下计时器将再次超时，网络状态将从选举阶段进入下一个选举阶段，同时Candidate将会再次执行上面说明的几件事。

Raft算法采用了随机选举超时机制来避免出现这种情况。即当计时器超时后，服务器将随机延迟指定的时间后才进入选举阶段。
由于随机延迟的原因，将降低服务器在同一时间选举超时的情况，可以有效避免选票分散的情况。

5、正常运行阶段->选举阶段

当Leader成功选举之后，将周期性发送心跳消息到网络中其他服务器。同时其他服务器将转换自己的角色为Follower，并且每次收到心跳消息后都会重置自己的计时器，防止超时再次进入选举阶段。

如果Leader因为特殊情况崩溃时，网络中的其他服务器将不再接收到心跳消息，在等待指定时间后计时器将会超时，从而再次进入选举阶段。

如果Leader崩溃时间较短，可以在其他服务器计时器超时之间恢复，并发送心跳消息，网络仍然可以恢复为Leader崩溃之前的状态。

如果Leader崩溃时间较长，在网络中已有新的Leader选举产生后恢复，由于旧的Leader任期号将小于新的Leader，在旧的Leader接收到新的Leader发送的心跳消息后则会变为Follower状态。