亲手编写选举领导者的规则

目标

亲手实现三个进程互相交换选票、选出一个领导者的过程。结束后，你会对任期（term）、投票、过半数，以及为什么要把超时设成随机值，有亲身的体验。

为什么重要

共识算法难，不是因为公式，而是因为边界。任期相同和更大的时候，还没有投票和已经投过票的时候，票数刚好一半和超过一半的时候——这些边界只要错位一格，系统平时运转正常，到了网络抖动的那天，就会造出两个领导者。所以这里接线（HTTP 服务器、计时器、重发）已经预先提供，只有做判断的函数由你来写。判断就是算法，其余的只是接线。

最后一步会用实测来展示 Raft 论文为什么要引入随机超时。如果把三个节点的计时器设成一样，三个会同时成为候选人，各自给自己投一票，没有任何一个能拿到过半数，任期就会无休止地上升。

步骤

在 /root/raft/cluster.json 中写入三个节点的 id 和端口。
把 /opt/lab/raft/node.py 复制为 /root/raft/node.py，启动其中一个，并确认 /status。
在 /root/raft/raftrules.py 中编写 election_timeout_ms(node_id, fixed_ms)。
在同一个文件中加入 on_timeout(state)。
在同一个文件中加入 on_request_vote(state, req)。
在同一个文件中加入 on_append_entries(state, req)。
在同一个文件中加入 has_majority(votes, total)，启动三个节点，观察领导者被选出。
用 --timeout-ms 900 启动三个节点，并把结果写入 /root/raft/split-vote.json。

参考

启动节点的方法：cd /root/raft && python3 node.py --id 1 --port 5001 --peers 2:5002,3:5003 &
查看状态：curl -s http://127.0.0.1:5001/status
全部关闭：pkill -f 'node.py --id'
接线只会调用规则文件中已有的函数。不会因为还没写的函数而导致进程崩溃。
常见错误 1：收到过期任期的请求，却把我的任期降低到对方的值。任期只增不减。
常见错误 2：把过半数写成 votes >= total / 2。在 4 个节点中，2 票就成了过半数，会出现两个领导者。

三个节点的占位表

在 /root/raft/cluster.json 中写入 id 1、2、3 和端口 5001、5002、5003。

节点不是容器，而是只有端口不同的进程。先把之后三次启动要用的占位表写下来。在名为 nodes 的列表下，放三个带有 id 和 port 的对象。

把接线放到位并启动

把 /opt/lab/raft/node.py 复制为 /root/raft/node.py，启动其中一个，确认 /status 有响应。

HTTP 服务器和计时器之类的接线已经做好了。你要填的只有“判断”。用 python3 /root/raft/node.py --id 1 --port 5001 --peers '' 启动，然后在另一个窗口执行 curl 127.0.0.1:5001/status。规则文件还没有，所以它不做任何判断，静静地待着才是正常的。

选举超时

在 /root/raft/raftrules.py 中编写 election_timeout_ms(node_id, fixed_ms)。如果 fixed_ms 不为 0，就原样返回该值；如果为 0，就返回 800 到 1500 之间的随机值。

random.randint(a, b) 包含两个端点。为什么必须是随机的，最后一步会亲眼看到。一定要留下原样返回 fixed_ms 的路径——没有这条路径，最后一步的实验就无法成立。

超时就成为候选人

在 raftrules.py 中加入 on_timeout(state)。返回一个字典：任期加 1，把 state 改为 candidate，把 voted_for 改为自己的 id。

state 是带有 {'id', 'term', 'state', 'voted_for', 'leader', 'log', 'commit'} 的字典。只要把想改的键放进去返回，接线就会把它反映进去。候选人给自己投票，是 Raft 的第一票——漏掉它，就没有任何节点能拿到过半数。

一个任期一票

在 raftrules.py 中加入 on_request_vote(state, req)。返回包含 term、voted_for、state、granted 的字典。

按顺序看三件事。（1）如果 req 的任期比我的任期大，就提高我的任期并退位，同时清除本任期的投票记录。（2）如果任期比我的小，就拒绝——此时不能降低我的任期。（3）在同一个任期内，只有还没有投给任何人，或者投给的是同一个候选人时，才投票。如果对同一个候选人的重新发送也拒绝，那么丢一次包，选举就停住了。

接收心跳的一方

在 raftrules.py 中加入 on_append_entries(state, req)。返回包含 term、state、leader、voted_for、ok 的字典。

领导者即使没有话要说，也会持续发话——因为那是“我还活着”的唯一信号。如果 req 的任期比我的任期小，就把 ok 设为 False 返回，并保持我的任期不变。除此之外，就回到追随者状态，记录领导者，并把 ok 设为 True。作为候选人时，如果看到同一个任期的领导者，就必须退位。

数票并成为领导者

在 raftrules.py 中加入 has_majority(votes, total)，然后在 5001、5002、5003 上启动三个节点，确认选出一个领导者。

过半数是“超过”一半，而不是“达到”一半以上。在 4 个节点中，2 票不是过半数——如果用整数除法来写，在这个边界上很容易出错，所以比较时把两边都乘以 2。启动三个节点之后，对三个端口都执行 curl 127.0.0.1:5001/status，同时查看 state、term 和 leader。

计时器相同，就没有谁能赢

用 --timeout-ms 900 启动全部三个节点，查看 9 秒后的状态，并把 fixed_timeout_ms、leader、max_term、states 写入 /root/raft/split-vote.json。

给了 --timeout-ms，接线就会把三个节点醒来的时刻对齐到物理时钟——这是为了看清计时器真的相同时会发生什么而设的装置。如果三个节点在同一瞬间成为候选人，各自给自己投一票，没有任何一个拿到过半数，只有任期在上升。leader 写成 null。