etcd raft如何实现Linearizable Read

Linearizable Read通俗来讲,就是读请求需要读到最新的已经commit的数据,不会读到老数据。

对于使用raft协议来保证多副本强一致的系统中,读写请求都可以通过走一次raft协议来满足。然后,现实系统中,读请求通常会占很大比重,如果每次读请求都要走一次raft落盘,性能可想而知。所以优化读性能至关重要。

从raft协议可知,leader拥有最新的状态,如果读请求都走leader,那么leader可以直接返回结果给客户端。然而,在出现网络分区和时钟快慢相差比较大的情况下,这有可能会返回老的数据,即stale read,这违反了Linearizable Read。例如,leader和其他followers之间出现网络分区,其他followers已经选出了新的leader,并且新的leader已经commit了一堆数据,然而由于不同机器的时钟走的快慢不一,原来的leader可能并没有发觉自己的lease过期,仍然认为自己还是合法的leader直接给客户端返回结果,从而导致了stale read。

Raft作者提出了一种叫做ReadIndex的方案:

当leader接收到读请求时,将当前commit index记录下来,记作read index,在返回结果给客户端之前,leader需要先确定自己到底还是不是真的leader,确定的方法就是给其他所有peers发送一次心跳,如果收到了多数派的响应,说明至少这个读请求到达这个节点时,这个节点仍然是leader,这时只需要等到commit index被apply到状态机后,即可返回结果。

func (n *node) ReadIndex(ctx context.Context, rctx []byte) error {
    return n.step(ctx, pb.Message{Type: pb.MsgReadIndex, Entries: []pb.Entry{{Data: rctx}}})
}

处理读请求时,应用的goroutine会调用这个函数,其中rctx参数相当于读请求id,全局保证唯一。step会往recvc中塞进一个MsgReadIndex消息,而运行node入口函数

func (n *node) run(r *raft)

的goroutine会从recvc中拿出这个message,并进行处理:

case m := <-n.recvc:
            // filter out response message from unknown From.
            if _, ok := r.prs[m.From]; ok || !IsResponseMsg(m.Type) {
                r.Step(m) // raft never returns an error
            }

Step(m)最终会调用到raft结构体的step(m),step是个函数指针,根据node的角色,运行stepLeader()/stepFollower()/stepCandidate()。

  • 如果node是leader,stepLeader()主要代码片段:
    case pb.MsgReadIndex:
        if r.raftLog.zeroTermOnErrCompacted(r.raftLog.term(r.raftLog.committed)) != r.Term {
                // Reject read only request when this leader has not committed any log entry at its term.
                return
        }
        
        if r.quorum() > 1 {
            switch r.readOnly.option {
            case ReadOnlySafe:
                r.readOnly.addRequest(r.raftLog.committed, m)
                r.bcastHeartbeatWithCtx(m.Entries[0].Data)
            case ReadOnlyLeaseBased:
                var ri uint64
                if r.checkQuorum {
                    ri = r.raftLog.committed
                }
                if m.From == None || m.From == r.id { // from local member
                    r.readStates = append(r.readStates, ReadState{Index: r.raftLog.committed, RequestCtx: m.Entries[0].Data})
                } else {
                    r.send(pb.Message{To: m.From, Type: pb.MsgReadIndexResp, Index: ri, Entries: m.Entries})
                }
            }
        }

首先,r.raftLog.zeroTermOnErrCompacted需要检查leader是否在当前term有过commit entry,小论文5.4节关于Safety中给出了解释,以及不这么做会有什么问题,并且给出了反例。

其次,本文讨论的ReadIndex方案对应的是ReadOnlySafe这个option分支,其中addRequest(...)会把这个读请求到达时的commit index保存起来,并且维护一些状态信息,而bcastHeartbeatWithCtx(...)准备好需要发送给peers的心跳消息MsgHeartbeat。当node收到心跳响应消息MsgHeartbeatResp时处理如下:

只保留逻辑相关代码:

case pb.MsgHeartbeatResp:

        if r.readOnly.option != ReadOnlySafe || len(m.Context) == 0 {
            return
        }

        ackCount := r.readOnly.recvAck(m)
        if ackCount < r.quorum() {
            return
        }

        rss := r.readOnly.advance(m)
        for _, rs := range rss {
            req := rs.req
            if req.From == None || req.From == r.id { // from local member
                r.readStates = append(r.readStates, ReadState{Index: rs.index, RequestCtx: req.Entries[0].Data})
            } else {
                r.send(pb.Message{To: req.From, Type: pb.MsgReadIndexResp, Index: rs.index, Entries: req.Entries})
            }
        }

首先只有ReadOnlySafe这个方案时,才会继续往下走。如果接收到了多数派的心跳响应,则会从刚才保存的信息中将对应读请求当时的commit index和请求id拿出来,填充到ReadState中,ReadState结构如下:

type ReadState struct {
    Index      uint64
    RequestCtx []byte
}

可以看出ReadState实际上包含了一个读请求到达node时,当前raft的状态commit index和请求id。

然后将ReadState append到raft结构体中的readStates数组中,readStates数组会被包含在Ready结构体中从readyc中pop出来供应用使用。

看看etcdserver是怎么使用的:

首先,在消费Ready的goroutine中:

if len(rd.ReadStates) != 0 {
                    select {
                    case r.readStateC <- rd.ReadStates[len(rd.ReadStates)-1]:
                    case <-time.After(internalTimeout):
                        plog.Warningf("timed out sending read state")
                    case <-r.stopped:
                        return
                    }
                }

这里重点是把Ready中的ReadState放入readStateC中,readStateC是一个buffer大小为1的channel

然后,在etcdserver跑linearizableReadLoop()的另外一个goroutine中:

// 执行ReadIndex,ctx是request id
if err := s.r.ReadIndex(cctx, ctx); err != nil {
            cancel()
            if err == raft.ErrStopped {
                return
            }
            plog.Errorf("failed to get read index from raft: %v", err)
            nr.notify(err)
            continue
}

//等待request id对应的ReadState从readStateC中pop出来
for !timeout && !done {
            select {
            case rs = <-s.r.readStateC:
                done = bytes.Equal(rs.RequestCtx, ctx)
                if !done {
                    // a previous request might time out. now we should ignore the response of it and
                    // continue waiting for the response of the current requests.
                    plog.Warningf("ignored out-of-date read index response (want %v, got %v)", rs.RequestCtx, ctx)
                }
            case <-time.After(s.Cfg.ReqTimeout()):
                plog.Warningf("timed out waiting for read index response")
                nr.notify(ErrTimeout)
                timeout = true
            case <-s.stopping:
                return
            }
}

if !done {
            continue
        }

        // 等待当前apply index大于等于commit index
        if ai := s.getAppliedIndex(); ai < rs.Index {
            select {
            case <-s.applyWait.Wait(rs.Index):
            case <-s.stopping:
                return
            }
}

至此,ReadIndex流程结束,总结一下,就四步:

  1. leader check自己是否在当前term commit过entry
  2. leader记录下当前commit index,然后leader给所有peers发心跳广播
  3. 收到多数派响应代表读请求到达时还是leader,然后等待apply index大于等于commit index
  4. 返回结果

etcd不仅实现了leader上的read only query,同时也实现了follower上的read only query,原理是一样的,只不过读请求到达follower时,commit index是需要向leader去要的,leader返回commit index给follower之前,同样,需要走上面的ReadIndex流程,因为leader同样需要check自己到底还是不是leader,代码不赘述。

posted @ 2017-07-13 17:56 吴镝 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏