Raft 算法详解（二）日志复制

在 Raft 算法中，副本数据是以日志的形式存在的，领导者接收到来自客户端写请求后，处 理写请求的过程就是一个复制和提交日志项的过程。

那 Raft 是如何复制日志的呢？又如何实现日志的一致的呢？这些内容是 Raft 中非常核心 的内容，首先，咱 们先来理解日志，这是你掌握如何复制日志、实现日志一致的基础。

如何理解日志？

刚刚我提到，副本数据是以日志的形式存在的，日志是由日志项组成，日志项究竟是什么样 子呢？
其实，日志项是一种数据格式，它主要包含用户指定的数据，也就是指令（Command）， 还包含一些附加信息，比如索引值（Log index）、任期编号（Term）。那你该怎么理解 这些信息呢？

指令：一条由客户端请求指定的、状态机需要执行的指令。你可以将指令理解成客户端 指定的数据。
索引值：日志项对应的整数索引值。它其实就是用来标识日志项的，是一个连续的、单 调递增的整数号码。
任期编号：创建这条日志项的领导者的任期编号。

从图中你可以看到，一届领导者任期，往往有多条日志项。而且日志项的索引值是连续的， 这一点你需要注意

讲到这儿你可能会问：不是说 Raft 实现了各节点间日志的一致吗？那为什么图中 4 个跟随 者的日志都不一样呢？日志是怎么复制的呢？又该如何实现日志的一致呢？别着急，接下来 咱们就来解决这几个问题。先来说说如何复制日志。

如何复制日志？

你可以把 Raft 的日志复制理解成一个优化后的二阶段提交（将二阶段优化成了一阶段）， 减少了一半的往返消息，也就是降低了一半的消息延迟。那日志复制的具体过程是什么呢？

首先，领导者进入第一阶段，通过日志复制（AppendEntries）RPC 消息，将日志项复制 到集群其他节点上。

接着，如果领导者接收到大多数的“复制成功”响应后，它将日志项提交到它的状态机，并 返回成功给客户端。如果领导者没有接收到大多数的“复制成功”响应，那么就返回错误给 客户端。

学到这里，有同学可能有这样的疑问了，领导者将日志项提交到它的状态机，怎么没通知跟 随者提交日志项呢？

这是 Raft 中的一个优化，领导者不直接发送消息通知其他节点提交指定日志项。因为领导 者的日志复制 RPC 消息或心跳消息，包含了当前最大的，将会被提交的日志项索引值。所 以通过日志复制 RPC 消息或心跳消息，跟随者就可以知道领导者的日志提交位置信息。

因此，当其他节点接受领导者的心跳消息，或者新的日志复制 RPC 消息后，就会将这条日 志项提交到它的状态机。而这个优化，降低了处理客户端请求的延迟，将二阶段提交优化为 了一段提交，降低了一半的消息延迟。

我们后再走一遍这个过程，这样可以更加全面地掌 握日志复制。

接收到客户端请求后，领导者基于客户端请求中的指令，创建一个新日志项，并附加到 本地日志中。

• 领导者通过日志复制 RPC，将新的日志项复制到其他的服务器。
• 当领导者将日志项，成功复制到大多数的服务器上的时候，领导者会将这条日志项提交 到它的状态机中。
• 领导者将执行的结果返回给客户端。
• 当跟随者接收到心跳信息，或者新的日志复制 RPC 消息后，如果跟随者发现领导者已经 提交了某条日志项，而它还没提交，那么跟随者就将这条日志项提交到本地的状态机 中

不过，这是一个理想状态下的日志复制过程。在实际环境中，复制日志的时候，你可能会遇 到进程崩溃、服务器宕机等问题，这些问题会导致日志不一致。那么在这种情况下，Raft 算法是如何处理不一致日志，实现日志的一致的呢？

如何实现日志的一致？

在 Raft 算法中，领导者通过强制跟随者直接复制自己的日志项，处理不一致日志。也就是 说，Raft 是通过以领导者的日志为准，来实现各节点日志的一致的。具体有 2 个步骤。

首先，领导者通过日志复制 RPC 的一致性检查，找到跟随者节点上，与自己相同日志项 的最大索引值。也就是说，这个索引值之前的日志，领导者和跟随者是一致的，之后的 日志是不一致的了。

然后，领导者强制跟随者更新覆盖的不一致日志项，实现日志的一致。

我们来详细地走一遍这个过程（为了方便演示，我们引入 2 个新变量）。

PrevLogEntry：表示当前要复制的日志项，前面一条日志项的索引值。比如在图中，如 果领导者将索引值为 8 的日志项发送给跟随者，那么此时 PrevLogEntry 值为 7。
PrevLogTerm：表示当前要复制的日志项，前面一条日志项的任期编号，比如在图中， 如果领导者将索引值为 8 的日志项发送给跟随者，那么此时 PrevLogTerm 值为 4。

1. 领导者通过日志复制 RPC 消息，发送当前最新日志项到跟随者（为了演示方便，假设当 前需要复制的日志项是最新的），这个消息的 PrevLogEntry 值为 7，PrevLogTerm 值 为 4。

2. 如果跟随者在它的日志中，找不到与 PrevLogEntry 值为 7、PrevLogTerm 值为 4 的日 志项，也就是说它的日志和领导者的不一致了，那么跟随者就会拒绝接收新的日志项， 并返回失败信息给领导者。

3. 这时，领导者会递减要复制的日志项的索引值，并发送新的日志项到跟随者，这个消息 的 PrevLogEntry 值为 6，PrevLogTerm 值为 3。

4. 如果跟随者在它的日志中，找到了 PrevLogEntry 值为 6、PrevLogTerm 值为 3 的日志 项，那么日志复制 RPC 返回成功，这样一来，领导者就知道在 PrevLogEntry 值为 6、 PrevLogTerm 值为 3 的位置，跟随者的日志项与自己相同。

5. 领导者通过日志复制 RPC，复制并更新覆盖该索引值之后的日志项（也就是不一致的日 志项），最终实现了集群各节点日志的一致。

从上面步骤中你可以看到，领导者通过日志复制 RPC 一致性检查，找到跟随者节点上与自 己相同日志项的最大索引值，然后复制并更新覆盖该索引值之后的日志项，实现了各节点日 志的一致。 需要你注意的是，跟随者中的不一致日志项会被领导者的日志覆盖，而且领导者 从来不会覆盖或者删除自己的日志。