etcd源码阅读与分析（二）：raft

今天讲的是 raft 这个文件夹下的内容。我觉得etcd的代码写得不够好，当然，也有可能是因为我外行，不过这只是我的感受，不喜勿喷。

首先要看一下 doc.go 这个文件，里面写了很多注释，有利于理解，此外看 raft 文件夹下的代码，结合上一篇所说的raftexample一起来 理解，效果更佳。

首先，先把 doc.go 里的内容大概说一下：

  • 新建一个raft集群，使用 raft.StartNode，传入一个Config和其他节点的ID
  • 从已有的数据恢复raft集群，使用 raft.RestartNode，传入一个Config即可

  • raft这个包只实现了raft协议，其余的例如数据持久化，处理数据等等，需要调用这个包的代码来做，调用者要做的事情包括：

    • 调用 Node.Ready() 接受目前产生的更新，然后：
      • 把HardState，Entries和Snapshot持久化到硬盘里
      • 把信息发送到To所指定的节点里去
      • 把快照和已经提交的Entry应用到状态机里去
      • 调用 Node.Advance() 通知Node之前调用 Node.Ready() 所接受的数据已经处理完毕
    • 所有持久化的操作都必须使用满足 Storage 这个接口的实现来进行持久化
    • 当接收到其他节点发来的消息时，调用 Node.Step 这个函数
    • 每隔一段时间需要主动调用一次 Node.Tick()

    把上面的几个步骤集中起来，差不多是这么些代码：

    for {
    select {
    case <-s.Ticker:
    n.Tick()
    case rd := <-s.Node.Ready():
    saveToStorage(rd.State, rd.Entries, rd.Snapshot)
    send(rd.Messages)
    if !raft.IsEmptySnap(rd.Snapshot) {
        processSnapshot(rd.Snapshot)
    }
    for _, entry := range rd.CommittedEntries {
        process(entry)
        if entry.Type == raftpb.EntryConfChange {
        var cc raftpb.ConfChange
        cc.Unmarshal(entry.Data)
        s.Node.ApplyConfChange(cc)
        }
    }
    s.Node.Advance()
    case <-s.done:
    return
    }
}

  • 要处理接收到的请求，就去调用 Node.Propose，如果请求被提交了，就会出现在 CommittedEntries 里，并且状态是 raftpb.EntryNormal

  • MessageType 有很多种类型，详见 doc.go

看完 doc.go 之后，我们再来看一眼 raftexample 中，rc.serveChannels 里的那一段代码：

case rd := <-rc.node.Ready():
    rc.wal.Save(rd.HardState, rd.Entries)
    if !raft.IsEmptySnap(rd.Snapshot) {
        rc.saveSnap(rd.Snapshot)
        rc.raftStorage.ApplySnapshot(rd.Snapshot)
        rc.publishSnapshot(rd.Snapshot)
    }
    rc.raftStorage.Append(rd.Entries)
    rc.transport.Send(rd.Messages)
    if ok := rc.publishEntries(rc.entriesToApply(rd.CommittedEntries)); !ok {
        rc.stop()
        return
    }
    rc.maybeTriggerSnapshot()
    rc.node.Advance()

是不是和 doc.go 里说的一毛一样？

好了，接下来开始说 raft 的实现。为啥我觉得代码写的不好呢？因为实现上，有两个结构体，一个是 node，一个是 raft。我看下 来的感受是：

  • node 负责节点相关的一些东西，raft 负责raft协议相关的东西，可能他们是想这么分开来，但实际上，node.run 的时候就需要 传入一个 raft ，也就是说其实运行的时候 node 和 raft 是捆绑在一起的。直接把它们放在一起，代码复杂度可以下降很多。而且他们本身 在raft协议里就是在一起的。
  • raft 结构体里，表示各个节点的ID，使用的是一个 uint64，然后需要由调用者去自己根据ID追踪具体是什么URL，既然注定了要跨网络，何不把 网络操作封装在接口里，然后raft库本身来通过接口完成操作？这样可以进一步降低理解成本。

然后接下来我们结合 raftexample 的代码来理解 raft 文件夹下的代码，注意，我们目前暂时不去看 etcdserver 下的代码，那里是真正 跑etcd的代码，我瞄了一眼，等我们先多看几个底层的东西，再去看那里。上一篇文章 我们说到，raftexample 里调用顺序是：

  • main 函数
  • newRaftNode
    • 新建一个 raftNode 并且调用 raftNode.startRaft，raftNode.startRaft 做的事情就是：
      • 检查WAL（Write Ahead Log）是否存在
      • 添加raft集群的其他节点
      • rc.transport 里添加其他节点
      • rc.serveRaft()
      • rc.serveChannels()
  • newKVStore
  • serveHttpKVAPI

serveChannels 做的事情呢，就是不断的接受 rc.proposeC 里的信息，而 rc.proposeC 信息的来源呢，就是 serveHttpKVAPI 里的HTTP接口接收到 请求，然后给塞进去的。serveChannels 接收到 rc.proposeC 里的信息呢，就调用 rc.node.Propose，这玩意儿呢，就是 raft 文件夹里，node.go 的 Propose 函数，因为他是个接口，而真正的实现就是 raft/node.go 里的 Propose 方法。

而 raft/node.go 里的 Propose 方法呢，最后就会调用 func (n *node) stepWithWaitOption(ctx context.Context, m pb.Message, wait bool) error， 它做的事情就是，把消息放到 n.propc 这个channel里，如果需要等待，那么就等待：

select {
case rsp := <-pm.result: // 要等待的话，如果result不为空就返回，否则不返回（那就会执行到下面，返回nil）
    if rsp != nil {
        return rsp
    }

那么哪里会处理 n.propc 的消息呢？就在 func (n *node) run(r *raft) 这个函数里：

select {
// TODO: maybe buffer the config propose if there exists one (the way
// described in raft dissertation)
// Currently it is dropped in Step silently.
case pm := <-propc: // proposal 是有结果的消息，应该是用来等待是否成功处理的
    m := pm.m
    m.From = r.id
    err := r.Step(m) // 注意，Step 是一个函数，这个函数用来处理消息。但是不同的身份有不同的Step实现，点进去看一下default里的代码，就调用了。参见 raft.go->becomeFollower, raft.go->becomeCandidate等等里的stepXXX函数
    if pm.result != nil {
        pm.result <- err
        close(pm.result)
    }
case m := <-n.recvc: // 收到消息，这里的消息应该是不等待结果的
    // filter out response message from unknown From.
    if pr := r.getProgress(m.From); pr != nil || !IsResponseMsg(m.Type) {
        r.Step(m)
    }

然后呢，你就发现，他收到消息之后，就会调用 r.Step，实现在 raft.go 里：

// Step 就是传说中的状态机了
func (r *raft) Step(m pb.Message) error {
	// Handle the message term, which may result in our stepping down to a follower.
	switch {

这里呢，就是raft状态机，就是那一坨，如果消息的Term比自己的大，就主动变Follower那一坨规则。当然了，状态机我还没有仔细研究 每一个状态，毕竟，一开始就太深入细节，不方便理解，读代码的时候还是要注意不能一叶障目。瞄几眼，发现很多地方呢，其实会调用 r.send，然后呢，这嘎达，长这样：

// send persists state to stable storage and then sends to its mailbox.
// TODO: send先持久化，然后发送到mailbox，那么问题来了，mailbox是什么？
func (r *raft) send(m pb.Message) {
	m.From = r.id
	if m.Type == pb.MsgVote || m.Type == pb.MsgVoteResp || m.Type == pb.MsgPreVote || m.Type == pb.MsgPreVoteResp {
		if m.Term == 0 {
			// All {pre-,}campaign messages need to have the term set when
			// sending.
			// - MsgVote: m.Term is the term the node is campaigning for,
			//   non-zero as we increment the term when campaigning.
			// - MsgVoteResp: m.Term is the new r.Term if the MsgVote was
			//   granted, non-zero for the same reason MsgVote is
			// - MsgPreVote: m.Term is the term the node will campaign,
			//   non-zero as we use m.Term to indicate the next term we'll be
			//   campaigning for
			// - MsgPreVoteResp: m.Term is the term received in the original
			//   MsgPreVote if the pre-vote was granted, non-zero for the
			//   same reasons MsgPreVote is
			panic(fmt.Sprintf("term should be set when sending %s", m.Type))
		}
	} else {
		if m.Term != 0 {
			panic(fmt.Sprintf("term should not be set when sending %s (was %d)", m.Type, m.Term))
		}
		// do not attach term to MsgProp, MsgReadIndex
		// proposals are a way to forward to the leader and
		// should be treated as local message.
		// MsgReadIndex is also forwarded to leader.
		if m.Type != pb.MsgProp && m.Type != pb.MsgReadIndex {
			m.Term = r.Term
		}
	}
	// TODO: 哪有持久化？？？
	r.msgs = append(r.msgs, m)
}

就是把消息追加到 r.msgs 这个 slice 里。绕这么大一圈，你说这实现闲的蛋疼么。那么现在的新问题是，哪里消费了 r.msgs ？ 毕竟，r.msgs 目前还属于在内存的消息，注释里说要持久化，也没看到哪里持久化了。于是我就搜索了一下 r.msgs：

$ ack -Q 'r.msgs'
rawnode.go
218:	if len(r.msgs) > 0 || len(r.raftLog.unstableEntries()) > 0 || r.raftLog.hasNextEnts() {

raft_test.go
52:	msgs := r.msgs
53:	r.msgs = make([]pb.Message, 0)
738:		if len(r.msgs) != 1 {
739:			t.Errorf("%s,%s: %d response messages, want 1: %+v", vt, st, len(r.msgs), r.msgs)
741:			resp := r.msgs[0]

raft.go
470:	r.msgs = append(r.msgs, m)

node.go
427:			r.msgs = nil // 不是并发安全的啊
609:		Messages:         r.msgs,

我看 node.go 427行最可疑，就点进去看了一下，还真是！这叫基于瞎猜的代码阅读法。。。其实很多人读代码一开始都是东看看西看看， 自顶向下嘛，但是难免会有思路断开的时候，这种时候呢，继续多看看，自然到后边就会连起来。但是很多写源码阅读与分析的人不会写出来， 我这可是说了大实话了。

case readyc <- rd: // Ready是各种准备好的变更
    if rd.SoftState != nil {
        prevSoftSt = rd.SoftState
    }
    if len(rd.Entries) > 0 {
        prevLastUnstablei = rd.Entries[len(rd.Entries)-1].Index
        prevLastUnstablet = rd.Entries[len(rd.Entries)-1].Term
        havePrevLastUnstablei = true
    }
    if !IsEmptyHardState(rd.HardState) {
        prevHardSt = rd.HardState
    }
    if !IsEmptySnap(rd.Snapshot) {
        prevSnapi = rd.Snapshot.Metadata.Index
    }
    if index := rd.appliedCursor(); index != 0 {
        applyingToI = index
    }

    r.msgs = nil // 不是并发安全的啊
    r.readStates = nil
    r.reduceUncommittedSize(rd.CommittedEntries)
    advancec = n.advancec

看下 rd 是啥，原来是rd = newReady(r, prevSoftSt, prevHardSt)。进去看看 newReady 干了什么：

func newReady(r *raft, prevSoftSt *SoftState, prevHardSt pb.HardState) Ready {
	rd := Ready{
		Entries:          r.raftLog.unstableEntries(),
		CommittedEntries: r.raftLog.nextEnts(),
		Messages:         r.msgs,
	}
	if softSt := r.softState(); !softSt.equal(prevSoftSt) {
		rd.SoftState = softSt
	}
	if hardSt := r.hardState(); !isHardStateEqual(hardSt, prevHardSt) {
		rd.HardState = hardSt
	}
	if r.raftLog.unstable.snapshot != nil {
		rd.Snapshot = *r.raftLog.unstable.snapshot
	}
	if len(r.readStates) != 0 {
		rd.ReadStates = r.readStates
	}
	rd.MustSync = MustSync(r.hardState(), prevHardSt, len(rd.Entries))
	return rd
}

原来就是把 r.msgs 塞到 r.msgs，然后置空 r.msgs。好了，大概晓得了。

要注意到，r.msgs = nil 出现的这段代码，在我们上面说过的 node.run 这个函数里。上面我们说了，run 函数还有一个分支是 case pm := <-propc，我把几个分支抽出来看看：

for {
    // 略略略，准备 rd

    select {
    // TODO: maybe buffer the config propose if there exists one (the way
    // described in raft dissertation)
    // Currently it is dropped in Step silently.
    case pm := <-propc: // proposal 是有结果的消息，应该是用来等待是否成功处理的
        m := pm.m
        m.From = r.id
        err := r.Step(m) // 注意，Step 是一个函数，这个函数用来处理消息。但是不同的身份有不同的Step实现，点进去看一下default里的代码，就调用了。参见 raft.go->becomeFollower, raft.go->becomeCandidate等等里的stepXXX函数
        if pm.result != nil {
            pm.result <- err
            close(pm.result)
        }
    case m := <-n.recvc: // 收到消息，这里的消息应该是不等待结果的
        // filter out response message from unknown From.
        if pr := r.getProgress(m.From); pr != nil || !IsResponseMsg(m.Type) {
            r.Step(m)
        }
    case cc := <-n.confc: // 配置变更
        // 略略略
    case <-n.tickc: // 心跳和选举的timeout，参见doc.go
        r.tick()
    case readyc <- rd: // Ready是各种准备好的变更
        // 略略略
    case <-advancec: // 这个是用来确认Ready已经处理完的
        // 略略略
    case c := <-n.status: // TODO: 好像也是状态变更？？？
        c <- getStatus(r)
    case <-n.stop: // 那就是stop咯
        close(n.done)
        return
    }
}

原来，是这样的。真的是有点绕啊。好了，这一篇分析就到这里了，其他的细节等我继续更新吧 :)

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