分布式选举-Bully算法-2 代码实现

程序员文章站 2022-06-21 17:45:19

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Bully 算法实现

设定集群中有三个节点，通过Bully算法实现选主。节点之间的通信使用的是自我实现的Remoting组件，基于Netty开发，可以以同步，异步的方式发起通信。在后续《分布式通信》系列的文章中，会向大家详细分析Remoting组件。

分布式选举的项目名称：justin-distribute-election

整体结构如图：

分布式选举-Bully算法-2 代码实现

节点和集群类：

Node：表示集群中的节点，包含节点ID，节点状态，节点元数据等属性。

// 节点ID
private final UUID nodeId = UUID.randomUUID();
// 节点状态
private final AtomicReference<NodeStatus> status =
new AtomicReference<NodeStatus>(NodeStatus.UNKNOWN);
// 选举周期，节点发起一次选举，周期值加1。所有的节点必须在相同的周期内。
private final AtomicInteger epoch = new AtomicInteger(0);
private final String[] nodesAddress = PropertiesUtil.getNodesAddress();
// 处理节点请求消息的线程池
private final ExecutorService processorExecutor =
Executors.newFixedThreadPool(PropertiesUtil.getProcessorThreads());
private final Timer timer = new Timer("NodeMessage", true);
// 节点元数据，用于节点间的数据传输
private final Metadata metadata;
// 集群，集群中存储所有节点的元数据，用于选举。
private final Cluster cluster;

Cluster：表示集群，包含所有节点的元数据，主节点，选举周期等属性。

// 选举周期，与各节点一致
private final AtomicInteger epoch = new AtomicInteger(0);
// Key：节点的nodeId，Value：节点的元数据
private final ConcurrentMap<String, Metadata> nodes =
new ConcurrentHashMap<String, Metadata>();
// 选举出的主节点
private AtomicReference<Metadata> leader =
new AtomicReference<Metadata>();

NodeStatus：表示节点的状态，包含三种状态，初始状态(UNKNOWN)、存活状态(ALIVE)、死亡状态(DEAD)。

public enum NodeStatus {
    UNKNOWN,
    ALIVE,
    DEAD
}

节点启动：

Node节点启动时，在内部启动了4个线程：

server端线程，用于接收其他节点发送的消息；
client端线程，用于向其他节点发送消息；
元数据同步线程，用于在集群内同步各节点的元数据；
选举线程，用于在集群内选举主节点；

public synchronized void start() {
    logger.info("Prepare start node[id: {}, address: {}:{}]", nodeId, host, port);
    if (status.get() != NodeStatus.ALIVE) {
        try {
            // 在集群中加入本地节点
            cluster.addNode(nodeId, metadata);
           // 启动Server，并注册消息处理器
            server = new NettyRemotingServer(new NettyServerConfig(host, port));
            server.registerProcessor(MessageType.CLUSTER_SYNC, new ClusterSyncRequestProcessor(this), processorExecutor);
            server.registerProcessor(MessageType.ELECTION, new ElectionRequestProcessor(), processorExecutor);
            server.registerProcessor(MessageType.VICTORY, new VictoryRequestProcessor(this), processorExecutor);
            server.start();
           // 启动Client
            client = new NettyRemotingClient(new NettyClientConfig());
            client.start();
            // 本地节点状态设置为ALIVE
            setStatus(NodeStatus.ALIVE);
            metadata.setNodeStatus(NodeStatus.ALIVE);
            // 周期线程，用于在集群内同步各节点的元数据
            timer.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Node.this.clusterSync(metadata);
                    }catch (Throwable e) {
                        logger.error("Cluster sync request failure: " + e.getMessage());
                    }
                }
            }, 2*1000, 10*1000);
            // 周期线程，用于选主
            timer.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Node.this.electLeader();
                    }catch (Throwable e) {
                        logger.error("Elect leader failure: " + e.getMessage());
                    }
                }
            }, 5*1000, 5*1000);
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }else {
        logger.info("Node is alive " + this.toString());
    }
}

两种周期线程的作用，如下图：

分布式选举-Bully算法-2 代码实现

Cluster Sync：

元数据同步线程，它的作用在于，在每个节点中维护一个集群所有节点的元数据列表，用于选主。还有就是探测节点是否处于存活状态。

private void clusterSync(Metadata metadata) throws Exception {
    for(String nodeAddress : nodesAddress) {
        if (!nodeAddress.equals(localAddr)) {
            // 向其他节点发送本地节点的元数据
            RemotingMessage response = client.invokeSync(nodeAddress, ClusterSyncMessage.getInstance().request(metadata), 3 * 1000);
            String peerNodeId = cluster.getNodeIdByaddr(nodeAddress);
            if (peerNodeId != null) {
                // 如果超过3次没有响应，则设置节点状态为DEAD
                if (response == null) {
                    if (nodeDetectFailNums.containsKey(peerNodeId)) {
                        int failNums = nodeDetectFailNums.get(peerNodeId);
                        if (failNums >= 3) {
                            cluster.getNodes().get(peerNodeId).setNodeStatus(NodeStatus.DEAD);
                        } else {
                            nodeDetectFailNums.put(peerNodeId, ++failNums);
                        }
                    } else {
                        nodeDetectFailNums.put(peerNodeId, 1);
                    }
                } else {
                    nodeDetectFailNums.put(peerNodeId, 0);
                }
            }
        }
    }
}

元数据同步消息的处理类是：ClusterSyncRequestProcessor.class

public RemotingMessage processRequest(ChannelHandlerContext ctx, 
RemotingMessage request) throws Exception {
    Metadata peerNodeMetadata = ClusterSyncMessage.getInstance().getPeerNodeMetadata(request);
    logger.info("[" + node.getMetadata() + " ===> " + peerNodeMetadata + "] cluster sync!");
    // 将接收的节点元数据存入到本地元数据列表
    node.getCluster().addNode(peerNodeMetadata.getNodeId(), peerNodeMetadata);
    // 响应ALIVE消息
    byte[] res = "ALIVE".getBytes(Charset.forName("UTF-8"));
    request.setMessageBody(res);
    return request;
}

Elect Leader：

选举线程，它的作用在于检测集群中是否有主节点或者主节点是否存活，否则发起选举。

private void electLeader() throws Exception {
    logger.info("[" + metadata + "] cluster leader: " + cluster.getLeader());
    if (cluster.getNodes().size() > 1) {
        Metadata leader = cluster.getLeader();
        // 判断集群中是否有主节点或者主节点是否存活，没有则发起选举。
        if ((leader == null) || (leader.getNodeStatus() !=
            NodeStatus.ALIVE)) {
            logger.info("Starting election ...");
            epoch.getAndIncrement();
            metadata.setEpoch(epoch.get());
            // 获取集群中比自己ID大的所有节点
            List<Metadata> largerNodes = cluster.largerNodes(metadata);
            // 如果没有则向其他节点发送Victory消息，宣布为主节点
            if (largerNodes.isEmpty()) {
                if (metadata.getNodeStatus() != NodeStatus.ALIVE) {
                    logger.warn("Node is not alive: " + metadata);
                }else {
                    cluster.getNodes().get(metadata.getNodeId().toString()).setEpoch(epoch.get());
                    cluster.setLeader(metadata);
                    List<Metadata> otherNodes = cluster.otherNodes(metadata);
                    for (Metadata otherNode : otherNodes) {
                        client.invokeOneway(otherNode.getNodeAddress(), VictoryMessage.getInstance().request(metadata), 3*1000);
                    }
                }
            }else {
                // 向比自己ID大的所有节点发送Election消息
                for (Metadata largerNode : largerNodes) {
                    RemotingMessage response = client.invokeSync(largerNode.getNodeAddress(), ElectionMessage.getInstance().request(metadata), 3*1000);
                    String res = new String(response.getMessageBody(), Charset.forName("UTF-8"));
                    logger.info("Election response: " + res);
                }
            }
        }
    }
}

Election消息的处理类是：ElectionRequestProcessor.class

public RemotingMessage processRequest(ChannelHandlerContext ctx, RemotingMessage request) throws Exception {
    Metadata peerNodeMetadata = ElectionMessage.getInstance().getPeerNodeMetadata(request);
    logger.info("[ ===> " + peerNodeMetadata + "] election!");
    // 响应ALIVE消息
    byte[] res = "ALIVE".getBytes(Charset.forName("UTF-8"));
    request.setMessageBody(res);
    return request;
}

Victory消息的处理类是：VictoryRequestProcessor.class

public RemotingMessage processRequest(ChannelHandlerContext ctx, RemotingMessage request) throws Exception {
    Metadata peerNodeMetadata = VictoryMessage.getInstance().getPeerNodeMetadata(request);
    logger.info("[" + node.getMetadata() + " ===> " + peerNodeMetadata + "] victory!");
    // 更新选举周期
    node.setEpoch(peerNodeMetadata.getEpoch());
    node.getCluster().setEpoch(peerNodeMetadata.getEpoch());
    // 在集群中设置主节点
    node.getCluster().setLeader(peerNodeMetadata);
    return null;
}

至此，根据Bully算法的选主代码实现完成。

下一篇文章《分布式选举-Raft算法-1 Leader选举原理》讲解典型的多数派投票选举算法Raft的选举原理。

获取Bully算法的实现代码，请关注公众号，后台回复“ Bully ”获取源码。

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