【RocketMQ】DLedger选主源码分析

RocketMQ 4.5版本之前，可以采用主从架构进行集群部署，但是如果master节点挂掉，不能自动在集群中选举出新的Master节点，需要人工介入，在4.5版本之后提供了DLedger模式，使用Raft算法，如果Master节点出现故障，可以自动选举出新的Master进行切换。

Raft协议

Raft是分布式系统中的一种共识算法，用于在集群中选举Leader管理集群。Raft协议中有以下角色：

Leader（领导者）：集群中的领导者，负责管理集群。

Candidate（候选者）：具有竞选Leader资格的角色，如果集群需要选举Leader，节点需要先转为候选者角色才可以发起竞选。

Follower（跟随者 ）：Leader的跟随者，接收和处理来自Leader的消息，与Leader之间保持通信，如果通信超时或者其他原因导致节点与Leader之间通信失败，节点会认为集群中没有Leader，就会转为候选者发起竞选，推荐自己成为Leader。

Raft协议中还有一个Term（任期）的概念，任期是随着选举的举行而变化，一般是单调进行递增，比如说集群中当前的任期为1，此时某个节点发现集群中没有Leader，开始发起竞选，此时任期编号就会增加为2，表示进行了新一轮的选举。一般会为Term较大的那个节点进行投票，当某个节点收到了过半Quorum的投票数（一般是集群中的节点数/2 + 1），将会被选举为Leader。

在Broker启动的时候，会判断是否开启了DLedger，如果开启会创建角色变更处理器DLedgerRoleChangeHandler， 然后获取CommitLog转为DLedgerCommitLog类型，并添加创建的角色变更处理器：

public class BrokerController {
     public boolean initialize() throws CloneNotSupportedException {
        result = result && this.consumerOffsetManager.load();
        result = result && this.subscriptionGroupManager.load();
        result = result && this.consumerFilterManager.load();
        if (result) {
            try {
                this.messageStore = new DefaultMessageStore(this.messageStoreConfig, this.brokerStatsManager, this.messageArrivingListener, this.brokerConfig);
                // 如果开启了DLeger
                if (messageStoreConfig.isEnableDLegerCommitLog()) {
                    // 创建DLedgerRoleChangeHandler
                    DLedgerRoleChangeHandler roleChangeHandler = new DLedgerRoleChangeHandler(this, (DefaultMessageStore) messageStore);
                    // 获取CommitLog并转为DLedgerCommitLog类型，并添加角色变更处理器DLedgerRoleChangeHandler
                    ((DLedgerCommitLog)((DefaultMessageStore) messageStore).getCommitLog()).getdLedgerServer().getdLedgerLeaderElector().addRoleChangeHandler(roleChangeHandler);
                }
                // ...
            } catch (IOException e) {
                result = false;
                log.error("Failed to initialize", e);
            }
        }
        // ...
     }
}

在DefaultMessageStore构造函数中可以看到，如果开启了DLedger，使用的是DLedgerCommitLog，所以上面可以将CommitLog转换为DLedgerCommitLog：

public class DefaultMessageStore implements MessageStore {
    public DefaultMessageStore(final MessageStoreConfig messageStoreConfig, final BrokerStatsManager brokerStatsManager,
        //...
        // 如果开启DLeger
        if (messageStoreConfig.isEnableDLegerCommitLog()) {
            this.commitLog = new DLedgerCommitLog(this); // 创建DLedgerCommitLog类型的CommitLog
        } else {
            this.commitLog = new CommitLog(this);
        }
        // ...
    }
}

进入到DLedgerCommitLog，可以看到它引用了DLedgerServer，并在start方法中对其进行了启动，而在DLedgerServer中又启动了DLedgerLeaderElector进行Leader选举：

// DLedgerCommitLog
public class DLedgerCommitLog extends CommitLog {
    // DLedgerServer
    private final DLedgerServer dLedgerServer;
    @Override
    public void start() {
        // 启动DLedgerServer
        dLedgerServer.startup();
    }
}

// DLedgerServer
public class DLedgerServer implements DLedgerProtocolHander {
    public void startup() {
        this.dLedgerStore.startup();
        this.dLedgerRpcService.startup();
        this.dLedgerEntryPusher.startup();
        // 启动Leader选择
        this.dLedgerLeaderElector.startup();
        this.executorService.scheduleAtFixedRate(this::checkPreferredLeader, 1000L, 1000L, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
}

在DLedgerLeaderElector中，引用了StateMaintainer，并在startup方法中启动了StateMaintainer，然后遍历RoleChangeHandler，调用其startup进行启动：

public class DLedgerLeaderElector {
    // 实例化StateMaintainer
    private StateMaintainer stateMaintainer = new StateMaintainer("StateMaintainer", logger);

    public void startup() {
        // 启动StateMaintainer
        stateMaintainer.start();
        // 遍历RoleChangeHandler
        for (RoleChangeHandler roleChangeHandler : roleChangeHandlers) {
            // 启动角色变更处理器
            roleChangeHandler.startup();
        }
    }
}

StateMaintainer是DLedgerLeaderElector的内部类，继承了ShutdownAbleThread，所以这里其实是开启了一个线程会不断执行doWork方法，在doWork方法中调用了maintainState方法维护状态：

public class DLedgerLeaderElector {
   public class StateMaintainer extends ShutdownAbleThread {

        @Override public void doWork() {
            try {
                if (DLedgerLeaderElector.this.dLedgerConfig.isEnableLeaderElector()) {
                    DLedgerLeaderElector.this.refreshIntervals(dLedgerConfig);
                    // 维护状态
                    DLedgerLeaderElector.this.maintainState();
                }
                // 睡眠10ms
                sleep(10);
            } catch (Throwable t) {
                DLedgerLeaderElector.logger.error("Error in heartbeat", t);
            }
        }

    }
}

在maintainState方法中，可以看到对节点的角色进行了判断：

1. 如果当前节点是Leader，调用maintainAsLeader方法处理；
2. 如果当前节点是Follower，调用maintainAsFollower方法处理；
3. 如果当前节点是Candidate，调用maintainAsCandidate方法处理；

public class DLedgerLeaderElector {
   private void maintainState() throws Exception {
        if (memberState.isLeader()) { // 如果是Leader
            maintainAsLeader();
        } else if (memberState.isFollower()) { // 如果是Follower
            maintainAsFollower();
        } else { // 如果是Candidate
            maintainAsCandidate();
        }
    }
}

MemberState中可以看到role的值默认为CANDIDATE，所以初始状态下，各个节点的角色为CANDIDATE，接下来进入到maintainAsCandidate方法看下如何发起选举：

public class MemberState {
    // 默认CANDIDATE角色
    private volatile Role role = CANDIDATE;
}

Candidate发起竞选

needIncreaseTermImmediately：默认为false，为true时表示需要增加投票轮次Term的值，并立刻发起新一轮选举。

currTerm：当前选举的投票轮次。

LedgerEndIndex：当前记录的CommitLog日志的index。

LedgerEndTerm：Leader节点的投票轮次，也就是最近一次Leader选举成功时的那个Term，会记录在LedgerEndIndex中。

在Candidate候选者角色下可以选举Leader，发起选举的过程如下：

1. 判断当时时间是否小于下一次投票开始时间并且needIncreaseTermImmediately为false，如果未到开始时间并且needIncreaseTermImmediately为false，直接返回，等待下一次投票；
2. 校验当前角色是否是Candidate，如果不是直接返回；
3. 由于Leader选举可能会失败，所以先判断上一次选举的结果，对以下两个条件进行判断，满足两个条件之一，会增加Terem的值，为新一轮竞选做准备，反之使用当前的Term即可：
   （1）如果是WAIT_TO_VOTE_NEXT状态，也就是等待下一次重新进行选举；
   （2）needIncreaseTermImmediately为true；
4. 如果needIncreaseTermImmediately为true，需要重置其状态为false，并调用getNextTimeToRequestVote更新下一次发起选举的时间；
5. 调用voteForQuorumResponses方法向其他节点发起投票请求；
6. 处理投票结果，这里先省略，稍后再讲；

public class DLedgerLeaderElector {
    private final MemberState memberState;

    private void maintainAsCandidate() throws Exception {
        // 判断当时时间是否小于下一次投票开始时间并且needIncreaseTermImmediately为false
        if (System.currentTimeMillis() < nextTimeToRequestVote && !needIncreaseTermImmediately) {
            return;
        }
        long term;
        long ledgerEndTerm;
        long ledgerEndIndex;
        synchronized (memberState) {
            // 如果不是Candidate直接返回
            if (!memberState.isCandidate()) {
                return;
            }
            // 如果上一次选举Leader之后的结果是等待下一下重新进行选举或者如果需要立刻增加任期
            if (lastParseResult == VoteResponse.ParseResult.WAIT_TO_VOTE_NEXT || needIncreaseTermImmediately) {
                long prevTerm = memberState.currTerm();
                term = memberState.nextTerm(); // 增加Term
                logger.info("{}_[INCREASE_TERM] from {} to {}", memberState.getSelfId(), prevTerm, term);
                lastParseResult = VoteResponse.ParseResult.WAIT_TO_REVOTE;
            } else {
                // 使用获取当前的Term
                term = memberState.currTerm();
            }
            // 获取CommitLog日志的index
            ledgerEndIndex = memberState.getLedgerEndIndex();
            // 获取Leader的投票轮次
            ledgerEndTerm = memberState.getLedgerEndTerm();
        }
        // 如果needIncreaseTermImmediately为true
        if (needIncreaseTermImmediately) {
            // 更新下次选举的时间
            nextTimeToRequestVote = getNextTimeToRequestVote();
            // 恢复needIncreaseTermImmediately的默认状态
            needIncreaseTermImmediately = false;
            return;
        }
        long startVoteTimeMs = System.currentTimeMillis();
        // 发起投票请求
        final List<CompletableFuture<VoteResponse>> quorumVoteResponses = voteForQuorumResponses(term, ledgerEndTerm, ledgerEndIndex);
       
        // 处理投票结果，先省略
        // ...
    }
}

nextTerm

nextTerm方法用于增加投票轮次Term的值，不过在增加之前会先判断当前节点维护的集群中已知的最大Term也就是knownMaxTermInGroup的值是否大于currTerm，如果是则使用knownMaxTermInGroup的值作为下一次投票的轮次，否则才对当前的TermcurrTerm做自增操作：

public class MemberState {
    public synchronized long nextTerm() {
        // 校验角色
        PreConditions.check(role == CANDIDATE, DLedgerResponseCode.ILLEGAL_MEMBER_STATE, "%s != %s", role, CANDIDATE);
        // 如果已知集群中最大的Term大于当前的Term，返回集群中最大的Term大
        if (knownMaxTermInGroup > currTerm) {
            currTerm = knownMaxTermInGroup;
        } else {
            // 否则对Term自增
            ++currTerm;
        }
        currVoteFor = null;
        persistTerm(); // 持久化
        return currTerm;
    }
}

getNextTimeToRequestVote

getNextTimeToRequestVote用于更新下次发起选举的时间，规则为：当前时间 + 300ms + 随机值（在最大和最小投票时间间隔之间也就是300-1000之间生成随机值）。

public class DLedgerLeaderElector {
  // 最小投票时间间隔
  private int minVoteIntervalMs = 300;
  // 最大投票时间间隔
  private int maxVoteIntervalMs = 1000;
  private long getNextTimeToRequestVote() {
        if (isTakingLeadership()) {
            return System.currentTimeMillis() + dLedgerConfig.getMinTakeLeadershipVoteIntervalMs() +
                random.nextInt(dLedgerConfig.getMaxTakeLeadershipVoteIntervalMs() - dLedgerConfig.getMinTakeLeadershipVoteIntervalMs());
        }
        // 当前时间 + 300ms + 随机值（在最大和最小投票时间间隔之间也就是300-1000之间生成随机值）
        return System.currentTimeMillis() + minVoteIntervalMs + random.nextInt(maxVoteIntervalMs - minVoteIntervalMs);
  }
}

发送投票请求

在voteForQuorumResponses方法中，对当前节点维护的集群中所有节点进行了遍历，向每一个节点发送投票请求：

1. 构建VoteRequest投票请求；
2. 设置组信息、LedgerEndIndex、LedgerEndTerm等信息；
3. 设置Leader节点ID，也就是当前发起投票请求的节点的ID；
4. 设置本次选举的Term信息；
5. 设置请求目标节点的ID；
6. 如果是当前节点自己，直接调用handleVote处理投票，否则调用dLedgerRpcService的vote方法发送投票请求；

public class DLedgerLeaderElector {
   private List<CompletableFuture<VoteResponse>> voteForQuorumResponses(long term, long ledgerEndTerm,
        long ledgerEndIndex) throws Exception {
        List<CompletableFuture<VoteResponse>> responses = new ArrayList<>();
        // 遍历节点
        for (String id : memberState.getPeerMap().keySet()) {
            // 构建投票请求
            VoteRequest voteRequest = new VoteRequest();
            // 设置组
            voteRequest.setGroup(memberState.getGroup());
            voteRequest.setLedgerEndIndex(ledgerEndIndex);
            voteRequest.setLedgerEndTerm(ledgerEndTerm);
            // 设置Leader节点ID
            voteRequest.setLeaderId(memberState.getSelfId());
            // 设置Term信息
            voteRequest.setTerm(term);
            // 设置目标节点的ID
            voteRequest.setRemoteId(id);
            CompletableFuture<VoteResponse> voteResponse;
            // 如果是当前节点自己
            if (memberState.getSelfId().equals(id)) {
                // 直接调用handleVote处理
                voteResponse = handleVote(voteRequest, true);
            } else {
                // 发送请求
                voteResponse = dLedgerRpcService.vote(voteRequest);
            }
            responses.add(voteResponse);
        }
        return responses;
    }
}

投票请求处理

其他节点收到投票请求后，对请求的处理在handleVote方法中：

1. 判断发起投票的节点是否在当前节点的集群中，如果不在集群中，拒绝投票，返回状态为REJECT_UNKNOWN_LEADER；
2. 如果不是当前节点发起的请求，但是请求中携带的LeaderID与当前节点ID一致，拒绝投票，返回状态为REJECT_UNEXPECTED_LEADER；
3. 对比请求中的携带的LedgerEndTerm与当前节点记录的LedgerEndTerm：

• 小于：说明请求的LedgerEndTerm比较落后，拒绝投票REJECT_EXPIRED_LEDGER_TERM；
• 相等，但是LedgerEndIndex小于当前节点维护的LedgerEndIndex：说明发起请求的节点日志比较落后，拒绝投票，返回REJECT_SMALL_LEDGER_END_INDEX；
• 其他情况：继续下一步；

4. 对比请求中的Term与当前节点的Term大小：

   • 小于：说明请求中的Term比较落后，拒绝投票返回状态为REJECT_EXPIRED_LEDGER_TERM；
   • 相等：如果当前节点还未投票或者刚好投票给发起请求的节点，进入下一步；如果已经投票给某个Leader，拒绝投票返回REJECT_ALREADY_HAS_LEADER；除此之外其他情况返回REJECT_ALREADY_VOTED；
   • 大于：说明当前节点的Term过小已经落后于最新的Term，调用changeRoleToCandidate方法将当前节点更改为Candidate角色，needIncreaseTermImmediately置为true，返回REJECT_TERM_NOT_READY表示当前节点还未准备好进行投票；

   调用changeRoleToCandidate方法时传入了请求中携带的Term的值，在方法内会与当前节点已知的最大Term的值knownMaxTermInGroup做对比，如果knownMaxTermInGroup比请求中的Term小，会更新为请求中的Term的值，在上面maintainAsCandidate方法中可以知道，如果needIncreaseTermImmediately`置为true，会调用nextTerm增加Term，nextTerm方法上面也提到过，这个方法中会判断knownMaxTermInGroup是否大于当前的Term如果是返回knownMaxTermInGroup的值，所以如果当前节点的Term落后于发起选举的Term，不能进行投票，需要在下次更新Term的值后，与发起Leader选举的Term一致时才可以投票；

5. 如果请求中的TERM小于当前节点的LedgerEndTerm，拒绝投票，返回REJECT_TERM_SMALL_THAN_LEDGER；

6. 投票给发起请求的节点，设置CurrVoteFor的值为发起请求的节点ID，并返回ACCEPT接受投票状态；

public CompletableFuture<VoteResponse> handleVote(VoteRequest request, boolean self) {
        // 加锁
        synchronized (memberState) {
            // 判断发起投票的节点是否在当前节点的集群中
            if (!memberState.isPeerMember(request.getLeaderId())) {
                logger.warn("[BUG] [HandleVote] remoteId={} is an unknown member", request.getLeaderId());
                return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_UNKNOWN_LEADER));
            }
            // 如果不是当前节点发起的请求，但是请求中的LeaderID与当前节点一致
            if (!self && memberState.getSelfId().equals(request.getLeaderId())) {
                logger.warn("[BUG] [HandleVote] selfId={} but remoteId={}", memberState.getSelfId(), request.getLeaderId());
                return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_UNEXPECTED_LEADER));
            }
            // 如果请求中的LedgerEndTerm小于当前节点的LedgerEndTerm，说明请求的Term已过期
            if (request.getLedgerEndTerm() < memberState.getLedgerEndTerm()) {
                // 返回REJECT_EXPIRED_LEDGER_TERM
                return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_EXPIRED_LEDGER_TERM));
            } else if (request.getLedgerEndTerm() == memberState.getLedgerEndTerm() && request.getLedgerEndIndex() < memberState.getLedgerEndIndex()) { // 如果LedgerEndTerm一致但是请求中的LedgerEndIndex小于当前节点的
                // 返回REJECT_SMALL_LEDGER_END_INDEX
                return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_SMALL_LEDGER_END_INDEX));
            }
            // 如果请求中的TERM小于当前节点的Term
            if (request.getTerm() < memberState.currTerm()) {
                // 拒绝投票
                return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_EXPIRED_VOTE_TERM));
            } else if (request.getTerm() == memberState.currTerm()) { // 如果请求中的TERM等于当前节点的Term
                if (memberState.currVoteFor() == null) { // 如果当前节点还未投票
                    //let it go
                } else if (memberState.currVoteFor().equals(request.getLeaderId())) { // 如果当前节点刚好投票给发起请求的节点
                    //repeat just let it go
                } else {
                    if (memberState.getLeaderId() != null) { // 如果已经有Leader
                        // 返回REJECT_ALREADY_HAS_LEADER，表示已投过票
                        return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_ALREADY_HAS_LEADER));
                    } else { // 拒绝投票
                        return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_ALREADY_VOTED));
                    }
                }
            } else {
                // 走到这里表示请求中的Term大于当前节点记录的Term
                // 当前节点更改为Candidate角色
                changeRoleToCandidate(request.getTerm());
                // needIncreaseTermImmediately置为true，在下次执行时增加Term
                needIncreaseTermImmediately = true;
                // 返回REJECT_TERM_NOT_READY
                return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_TERM_NOT_READY));
            }
            // 如果请求中的TERM小于当前节点的LedgerEndTerm
            if (request.getTerm() < memberState.getLedgerEndTerm()) {
                return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.getLedgerEndTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_TERM_SMALL_THAN_LEDGER));
            }
            if (!self && isTakingLeadership() && request.getLedgerEndTerm() == memberState.getLedgerEndTerm() && memberState.getLedgerEndIndex() >= request.getLedgerEndIndex()) {
                return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.REJECT_TAKING_LEADERSHIP));
            }
            // 投票给发起请求的节点
            memberState.setCurrVoteFor(request.getLeaderId());
            // 返回ACCEPT接收投票的状态
            return CompletableFuture.completedFuture(new VoteResponse(request).term(memberState.currTerm()).voteResult(VoteResponse.RESULT.ACCEPT));
        }
    }

处理投票响应结果

回到maintainAsCandidate方法，继续看处理投票结果的部分，给集群中每个节点发起投票请求之后，会等待每个请求返回响应，并进行处理：

1. ACCEPT：表示同意投票给当前节点，接受投票的节点数量acceptedNum加1；
2. REJECT_ALREADY_VOTED或者REJECT_TAKING_LEADERSHIP：表示拒绝投票给当前节点；
3. REJECT_ALREADY_HAS_LEADER：表示已经投票给了其他节点，alreadyHasLeader设置为true;
4. REJECT_EXPIRED_VOTE_TERM：表示反映响应的节点的Term比当前节点的大，此时判断返回的Term是否大于当前节点记录的最大Term的值，如果是对knownMaxTermInGroup进行更新;
5. REJECT_SMALL_LEDGER_END_INDEX：表示返回响应节点的LedgerEndIndex比当前节点的大，biggerLedgerNum加1；
6. REJECT_TERM_NOT_READY：表示有节点还未准备好进行投票，notReadyTermNum加1；

public class DLedgerLeaderElector {
    private void maintainAsCandidate() throws Exception {
        // ...
        
        // 发起投票
        final List<CompletableFuture<VoteResponse>> quorumVoteResponses = voteForQuorumResponses(term, ledgerEndTerm, ledgerEndIndex);
        final AtomicLong knownMaxTermInGroup = new AtomicLong(term);
        final AtomicInteger allNum = new AtomicInteger(0);
        final AtomicInteger validNum = new AtomicInteger(0);
        // 记录接受投票的节点个数
        final AtomicInteger acceptedNum = new AtomicInteger(0);
        final AtomicInteger notReadyTermNum = new AtomicInteger(0);
        final AtomicInteger biggerLedgerNum = new AtomicInteger(0);
        // 记录是否有节点投票给了其他节点
        final AtomicBoolean alreadyHasLeader = new AtomicBoolean(false);

        CountDownLatch voteLatch = new CountDownLatch(1);
        // 处理投票响应结果
        for (CompletableFuture<VoteResponse> future : quorumVoteResponses) {
            future.whenComplete((VoteResponse x, Throwable ex) -> {
                try {
                    if (ex != null) {
                        throw ex;
                    }
                    logger.info("[{}][GetVoteResponse] {}", memberState.getSelfId(), JSON.toJSONString(x));
                    if (x.getVoteResult() != VoteResponse.RESULT.UNKNOWN) {
                        validNum.incrementAndGet();
                    }
                    synchronized (knownMaxTermInGroup) {
                        switch (x.getVoteResult()) { // 判断投票结果
                            case ACCEPT: // 如果接受投票
                                acceptedNum.incrementAndGet();
                                break;
                            case REJECT_ALREADY_VOTED: // 拒绝投票
                            case REJECT_TAKING_LEADERSHIP:
                                break;
                            case REJECT_ALREADY_HAS_LEADER: // 如果已经投票了其他节点
                                alreadyHasLeader.compareAndSet(false, true);
                                break;
                            case REJECT_TERM_SMALL_THAN_LEDGER:
                            case REJECT_EXPIRED_VOTE_TERM: // 如果响应中的Term大于当前节点发送请求时的Term
                                // 判断响应中的Term是否大于当前节点已知的最大Term
                                if (x.getTerm() > knownMaxTermInGroup.get()) { 
                                    knownMaxTermInGroup.set(x.getTerm()); // 进行更新
                                }
                                break;
                            case REJECT_EXPIRED_LEDGER_TERM:
                            case REJECT_SMALL_LEDGER_END_INDEX:// 如果返回响应节点的LedgerEndIndex比当前节点的大
                                biggerLedgerNum.incrementAndGet();
                                break;
                            case REJECT_TERM_NOT_READY: // 如果还未准备好
                                notReadyTermNum.incrementAndGet();
                                break;
                            default:
                                break;
                        }
                    }
                    if (alreadyHasLeader.get()
                        || memberState.isQuorum(acceptedNum.get())
                        || memberState.isQuorum(acceptedNum.get() + notReadyTermNum.get())) {
                        voteLatch.countDown();
                    }
                } catch (Throwable t) {
                    logger.error("vote response failed", t);
                } finally {
                    allNum.incrementAndGet();
                    if (allNum.get() == memberState.peerSize()) {
                        voteLatch.countDown();
                    }
                }
            });

        }
        // 判断投票结果，先省略....
    }
}

经过以上处理，等待（2000 + 一个随机数）毫秒之后，接下来判断本次选举是否成功：

1. 如果其他节点返回的响应中有比当前节点的Term大的，说明本次选举的Term已经落后其他节点，使用请求中返回的较大的那个Term作为下次竞选的Term，并计算下次发起选举的时间，等待下一次进行选举，对应状态为WAIT_TO_VOTE_NEXT；
2. 如果有节点已经投票给了其他节点，说明有其他节点在竞争Leader，需要等待下一次进行选举，对应状态为WAIT_TO_REVOTE；
3. 如果收到的有效投票数未过半，等待下一次进行选举，对应状态为WAIT_TO_REVOTE；
4. 如果收到有效投票数减去比当前节点ledgerEndIndex大的节点个数未过半，如果走到这一个条件中，说明收到有效投票个数是过半的（如果未过半会先进入条件3），但是其中有些节点的ledgerEndIndex大于当前节点，将这部分减去之后还未过半，意味着本次选举没获得过半的有效投票数不能成功选举，等待下一次进行选举，对应状态为WAIT_TO_REVOTE；
5. 如果收到的投票数过半也就是达到了Quorum，本轮选举成功，对应状态PASS;
6. 如果接受投票的节点个数+未准备好的节点数过半，表示有部分节点Term落后，与当前选举的Term不一致，立刻进行下一次投票，对应状态为REVOTE_IMMEDIATELY;
7. 其他情况，等待下一次投票，对应状态为WAIT_TO_VOTE_NEXT;

如果进入到第6步，意味着选举成功，此时会调用changeRoleToLeader转为Leader角色：

public class DLedgerLeaderElector {
    private void maintainAsCandidate() throws Exception {
        // 发起投票
        // ...
        // 处理投票响应结果
        // ...
        try {
            // 等待
            voteLatch.await(2000 + random.nextInt(maxVoteIntervalMs), TimeUnit.MILLISECONDS);
        } catch (Throwable ignore) {
        }
        lastVoteCost = DLedgerUtils.elapsed(startVoteTimeMs);
        VoteResponse.ParseResult parseResult;
        // 判断投票结果
        if (knownMaxTermInGroup.get() > term) { // 1.如果其他节点返回的响应中有比当前节点的Term大的
            // 等待下一次选举
            parseResult = VoteResponse.ParseResult.WAIT_TO_VOTE_NEXT; 
            // 计算下次发起选举的时间
            nextTimeToRequestVote = getNextTimeToRequestVote(); 
            // 转为Candidate，传入knownMaxTermInGroup，下次会使用knownMaxTermInGroup的值进选举
            changeRoleToCandidate(knownMaxTermInGroup.get()); 
        } else if (alreadyHasLeader.get()) {// 2.如果有节点已经投票给了其他节点
            parseResult = VoteResponse.ParseResult.WAIT_TO_REVOTE;
            // 设置下次选举时间
            nextTimeToRequestVote = getNextTimeToRequestVote() + heartBeatTimeIntervalMs * maxHeartBeatLeak;
        } else if (!memberState.isQuorum(validNum.get())) { // 3.如果收到的有效投票数未过半
            parseResult = VoteResponse.ParseResult.WAIT_TO_REVOTE;
            nextTimeToRequestVote = getNextTimeToRequestVote();
        } else if (!memberState.isQuorum(validNum.get() - biggerLedgerNum.get())) {// 4.如果收到有效投票数减去比当前节点ledgerEndIndex大的节点个数未过半
            parseResult = VoteResponse.ParseResult.WAIT_TO_REVOTE;
            nextTimeToRequestVote = getNextTimeToRequestVote() + maxVoteIntervalMs;
        } else if (memberState.isQuorum(acceptedNum.get())) {
            // 5.投票数如果达到了Quorum，选举通过
            parseResult = VoteResponse.ParseResult.PASSED; 
        } else if (memberState.isQuorum(acceptedNum.get() + notReadyTermNum.get())) {
            // 6. 如果接受投票数+未准备好的节点数过半，立刻进行下一次投票
            parseResult = VoteResponse.ParseResult.REVOTE_IMMEDIATELY;
        } else {
            // 7.其他情况，等待下一次投票
            parseResult = VoteResponse.ParseResult.WAIT_TO_VOTE_NEXT;
            nextTimeToRequestVote = getNextTimeToRequestVote();
        }
        lastParseResult = parseResult;
        logger.info("[{}] [PARSE_VOTE_RESULT] cost={} term={} memberNum={} allNum={} acceptedNum={} notReadyTermNum={} biggerLedgerNum={} alreadyHasLeader={} maxTerm={} result={}",
            memberState.getSelfId(), lastVoteCost, term, memberState.peerSize(), allNum, acceptedNum, notReadyTermNum, biggerLedgerNum, alreadyHasLeader, knownMaxTermInGroup.get(), parseResult);
        // 如果选举通过
        if (parseResult == VoteResponse.ParseResult.PASSED) {
            logger.info("[{}] [VOTE_RESULT] has been elected to be the leader in term {}", memberState.getSelfId(), term);
            // 选举成功，转为Leader角色
            changeRoleToLeader(term);
        }
    }
}

成为Leadr

节点收到集群中大多数投票后，调用changeRoleToLeader方法转为Leader：

1. 调用changeToLeader方法将角色更改为Leader；
2. 调用handleRoleChange方法触发角色变更事件；

public class DLedgerLeaderElector {
    public void changeRoleToLeader(long term) {
        synchronized(this.memberState) {
            // 如果Term一致
            if (this.memberState.currTerm() == term) {
                // 转为Leader角色
                this.memberState.changeToLeader(term);
                this.lastSendHeartBeatTime = -1L;
                // 触发角色改变事件
                this.handleRoleChange(term, Role.LEADER);
                logger.info("[{}] [ChangeRoleToLeader] from term: {} and currTerm: {}", new Object[]{this.memberState.getSelfId(), term, this.memberState.currTerm()});
            } else {
                logger.warn("[{}] skip to be the leader in term: {}, but currTerm is: {}", new Object[]{this.memberState.getSelfId(), term, this.memberState.currTerm()});
            }

        }
    }
}

成为Leader角色之后，下次执行StateMaintainer的doWork方法时，调用DLedgerLeaderElector.this.maintainState()后，会进入到Leader角色的处理逻辑，也就是maintainAsLeader方法中，在方法中会判断上次发送心跳的时间是否大于心跳发送间隔，如果是做如下处理：

1. 校验是否是Leader角色，如果不是直接返回；
2. 调用sendHeartbeats方法，向集群中其他节点发送心跳包；

也就是说，如果某个节点成为了Leader角色，会定期执行进入到maintainAsLeader方法中，如果距离上次发送心跳的时间超过了心跳发送间隔，向其他节点发送心跳包保持通信。

public class DLedgerLeaderElector {
    private void maintainAsLeader() throws Exception {
        // 如果上次发送心跳的时间大于心跳发送间隔
        if (DLedgerUtils.elapsed(lastSendHeartBeatTime) > heartBeatTimeIntervalMs) {
            long term;
            String leaderId;
            synchronized (memberState) {
                // 校验是否是Leader
                if (!memberState.isLeader()) {
                    return;
                }
                term = memberState.currTerm();
                leaderId = memberState.getLeaderId();
                // 更新发送心跳的时间
                lastSendHeartBeatTime = System.currentTimeMillis();
            }
            // 向集群中其他节点发送心跳包
            sendHeartbeats(term, leaderId);
        }
    }
}

计算时间差

DLedgerUtils的elapsed方法用于计算时间差，使用当前时间减去参数传入的时间，后面会看到某些情况下会将上次发送心跳的时间置为-1，这里相减之后，返回值会大于心跳时间间隔，所以会立刻发送心跳包：

public class DLedgerUtils {
    public static long elapsed(long start) {
        return System.currentTimeMillis() - start;
    }
}

发送心跳包

在sendHeartbeats方法中遍历当前节点维护的集群中所有节点，向除自己以外的其他节点发送心跳请求：

1. 构建HeartBeatRequest请求；
2. 请求中设置本次选举的相关信息，包括组信息、当前节点的ID、目标节点的ID、LeaderID、当前的Term；
3. 调用heartBeat发送心跳请求；
4. 处理心跳请求返回的响应数据，这个稍后再讲；

public class DLedgerLeaderElector {
    private void sendHeartbeats(long term, String leaderId) throws Exception {
        final AtomicInteger allNum = new AtomicInteger(1);
        final AtomicInteger succNum = new AtomicInteger(1);
        final AtomicInteger notReadyNum = new AtomicInteger(0);
        final AtomicLong maxTerm = new AtomicLong(-1);
        final AtomicBoolean inconsistLeader = new AtomicBoolean(false);
        final CountDownLatch beatLatch = new CountDownLatch(1);
        long startHeartbeatTimeMs = System.currentTimeMillis();
        // 遍历集群中的节点
        for (String id : memberState.getPeerMap().keySet()) {
            // 如果是当前节点自己，跳过
            if (memberState.getSelfId().equals(id)) {
                continue;
            }
            // 构建心跳请求
            HeartBeatRequest heartBeatRequest = new HeartBeatRequest();
            heartBeatRequest.setGroup(memberState.getGroup()); // 设置组信息
            heartBeatRequest.setLocalId(memberState.getSelfId());// 设置当前节点的ID
            heartBeatRequest.setRemoteId(id);// 设置目标节点的ID
            heartBeatRequest.setLeaderId(leaderId); // 设置LeaderID
            heartBeatRequest.setTerm(term); // 设置Term
            // 发送心跳请求
            CompletableFuture<HeartBeatResponse> future = dLedgerRpcService.heartBeat(heartBeatRequest);
            // 先省略心跳响应处理
            // ...
        }
        // ...
    }
}

心跳请求处理

lastLeaderHeartBeatTime：最近一次收到Leader心跳请求的时间，用于在Follower角色下判断心跳时间是否超时使用，如果长时间未收到心跳包，会认为Master故障，转为Candidate角色进行竞选。

集群中其他节点收到心跳请求后，对请求的处理在handleHeartBeat方法中：

1. 判断发送心跳请求的节点是否在当前节点维护的集群中，如果不在返回状态为UNKNOWN_MEMBER；

2. 判断心跳请求中携带的LeaderID是否是当前节点，如果是，返回UNEXPECTED_MEMBER；

3. 对比请求中携带的Term与当前节点的Term：

   • 小于：返回EXPIRED_TERM表示请求中的Term已过期；
   • 相等：如果请求中的LeaderID与当前节点维护的LeaderID一致，表示之前已经同意节点成为Leader，更新收到心跳包的时间lastLeaderHeartBeatTime为当前时间，返回成功即可；

4. 再次对比请求中的Term与当前节点的Term：

   （1）小于：说明请求的Term已落后，返回EXPIRED_TERM；

   （2）相等：

   • 如果当前节点记录的LeaderId为空，调用changeRoleToFollower转为Follower角色，返回成功；
   • 如果请求中的LeaderId与当前节点的Leader一致，表示之前已经同意节点成为Leader，更新收到心跳包的时间lastLeaderHeartBeatTime为当前时间，返回成功；
   • 其他情况：主要是为了容错处理，返回INCONSISTENT_LEADER；

   （3）大于：说明当前节点Term比较落后，此时调用changeRoleToCandidate转为Candidate角色，然后将needIncreaseTermImmediately置为true，返回TERM_NOT_READY，表示未准备好（与选举投票时的处理逻辑一致）；

public class DLedgerLeaderElector {
    public CompletableFuture<HeartBeatResponse> handleHeartBeat(HeartBeatRequest request) throws Exception {
        // 判断发送心跳请求的节点是否在集群中
        if (!memberState.isPeerMember(request.getLeaderId())) {
            logger.warn("[BUG] [HandleHeartBeat] remoteId={} is an unknown member", request.getLeaderId());
            // 返回UNKNOWN_MEMBER
            return CompletableFuture.completedFuture(new HeartBeatResponse().term(memberState.currTerm()).code(DLedgerResponseCode.UNKNOWN_MEMBER.getCode()));
        }
        // 判断心跳请求中携带的LeaderID是否是当前节点
        if (memberState.getSelfId().equals(request.getLeaderId())) {
            logger.warn("[BUG] [HandleHeartBeat] selfId={} but remoteId={}", memberState.getSelfId(), request.getLeaderId());
            // 返回UNEXPECTED_MEMBER
            return CompletableFuture.completedFuture(new HeartBeatResponse().term(memberState.currTerm()).code(DLedgerResponseCode.UNEXPECTED_MEMBER.getCode()));
        }
        // 对比Term
        if (request.getTerm() < memberState.currTerm()) { // 请求中的Term如果小于当前节点的Term
            // 返回EXPIRED_TERM表示请求中的Term已过期
            return CompletableFuture.completedFuture(new HeartBeatResponse().term(memberState.currTerm()).code(DLedgerResponseCode.EXPIRED_TERM.getCode()));
        } else if (request.getTerm() == memberState.currTerm()) { // 如果相等
            // 如果请求中的LeaderID与当前节点维护的LeaderID一致，表示已经同意节点成为Leader
            if (request.getLeaderId().equals(memberState.getLeaderId())) { 
                // 更新为当前时间
                lastLeaderHeartBeatTime = System.currentTimeMillis();
                // 返回成功
                return CompletableFuture.completedFuture(new HeartBeatResponse());
            }
        }
        synchronized (memberState) {
            // 请求中的Term如果小于当前节点的Term
            if (request.getTerm() < memberState.currTerm()) { 
                // 返回EXPIRED_TERM
                return CompletableFuture.completedFuture(new HeartBeatResponse().term(memberState.currTerm()).code(DLedgerResponseCode.EXPIRED_TERM.getCode()));
            } else if (request.getTerm() == memberState.currTerm()) {  // 请求中的Term于当前节点的Term相等
                if (memberState.getLeaderId() == null) { // 如果当前节点记录的LeaderId为空
                    // 转为Follower角色
                    changeRoleToFollower(request.getTerm(), request.getLeaderId());
                    // 返回成功
                    return CompletableFuture.completedFuture(new HeartBeatResponse());
                } else if (request.getLeaderId().equals(memberState.getLeaderId())) { // 如果请求中的LeaderId与当前节点的Leader一致
                    lastLeaderHeartBeatTime = System.currentTimeMillis();
                    // 返回成功
                    return CompletableFuture.completedFuture(new HeartBeatResponse());
                } else {
                    logger.error("[{}][BUG] currTerm {} has leader {}, but received leader {}", memberState.getSelfId(), memberState.currTerm(), memberState.getLeaderId(), request.getLeaderId());
                    // 返回INCONSISTENT_LEADER
                    return CompletableFuture.completedFuture(new HeartBeatResponse().code(DLedgerResponseCode.INCONSISTENT_LEADER.getCode()));
                }
            } else { // 如果请求中的Term大于当前节点的Term
                // 转为Candidate
                changeRoleToCandidate(request.getTerm());
                // needIncreaseTermImmediately置为true
                needIncreaseTermImmediately = true;
                // 返回TERM_NOT_READY
                return CompletableFuture.completedFuture(new HeartBeatResponse().code(DLedgerResponseCode.TERM_NOT_READY.getCode()));
            }
        }
    }
}

心跳响应结果处理

回到sendHeartbeats方法，当请求返回响应之后，会对返回响应状态进行判断：

1. SUCCESS：表示成功，记录心跳发送成功的节点个数，succNum加1；
2. EXPIRED_TERM：表示当前节点的Term已过期落后于其他节点，将较大的那个Term记录在maxTerm中；
3. INCONSISTENT_LEADER：将inconsistLeader置为true；
4. TERM_NOT_READY：表示有节点还未准备好，也就是Term较小，此时记录未准备节点的数量，notReadyNum加1；

接下来根据上面的处理结果进行判断：

1. 如果集群中过半节点对心跳包返回了成功的状态，更新心跳包成功的时间lastSendHeartBeatTime的值；
2. 如果未过半进行以下判断：
   • 如果成功的个数+未准备好的个数过半，lastSendHeartBeatTime值置为-1，下次进入maintainAsLeader方法会认为已经超过心跳发送时间间隔，所以会立刻发送心跳包；
   • 如果maxTerm值大于当前节点的Term，表示当前节点Term已过期，调用changeRoleToCandidate转为Candidate，并使用maxTerm做为下次选举的Term，等待下次选举；
   • inconsistLeader为true，调用changeRoleToCandidate转为Candidate，等待下次选举；
   • 如果上次成功发送心跳的时间大于maxHeartBeatLeak（最大心跳时间） * heartBeatTimeIntervalMs（心跳发送间隔），调用changeRoleToCandidate转为Candidate，等待下次选举；

public class DLedgerLeaderElector {
    private void sendHeartbeats(long term, String leaderId) throws Exception {
        final AtomicInteger allNum = new AtomicInteger(1);
        final AtomicInteger succNum = new AtomicInteger(1);
        final AtomicInteger notReadyNum = new AtomicInteger(0);
        final AtomicLong maxTerm = new AtomicLong(-1);
        final AtomicBoolean inconsistLeader = new AtomicBoolean(false);
        final CountDownLatch beatLatch = new CountDownLatch(1);
        long startHeartbeatTimeMs = System.currentTimeMillis();
        // 遍历集群中的节点
        for (String id : memberState.getPeerMap().keySet()) {
            // 如果是当前节点自己，跳过
            if (memberState.getSelfId().equals(id)) {
                continue;
            }
            // 构建心跳请求
            HeartBeatRequest heartBeatRequest = new HeartBeatRequest();
            heartBeatRequest.setGroup(memberState.getGroup()); // 设置组信息
            heartBeatRequest.setLocalId(memberState.getSelfId());// 设置当前节点的ID
            heartBeatRequest.setRemoteId(id);// 设置目标节点的ID
            heartBeatRequest.setLeaderId(leaderId); // 设置LeaderID
            heartBeatRequest.setTerm(term); // 设置Term
            // 发送心跳
            CompletableFuture<HeartBeatResponse> future = dLedgerRpcService.heartBeat(heartBeatRequest);
            future.whenComplete((HeartBeatResponse x, Throwable ex) -> {
                try {
                    if (ex != null) {
                        memberState.getPeersLiveTable().put(id, Boolean.FALSE);
                        throw ex;
                    }
                    switch (DLedgerResponseCode.valueOf(x.getCode())) {
                        case SUCCESS: // 如果成功
                            // 记录成功的数量
                            succNum.incrementAndGet();
                            break;
                        case EXPIRED_TERM: // 如果Term过期
                            // 使用响应返回的较大的那个Term记录在maxTerm中
                            maxTerm.set(x.getTerm());
                            break;
                        case INCONSISTENT_LEADER: // 如果是INCONSISTENT_LEADER
                            // inconsistLeader置为true
                            inconsistLeader.compareAndSet(false, true);
                            break;
                        case TERM_NOT_READY:// 如果未准备
                            // 记录未准备节点的数量
                            notReadyNum.incrementAndGet();
                            break;
                        default:
                            break;
                    }
                   // ...
                } catch (Throwable t) {
                    logger.error("heartbeat response failed", t);
                } finally {
                    allNum.incrementAndGet();
                    if (allNum.get() == memberState.peerSize()) {
                        beatLatch.countDown();
                    }
                }
            });
        }
        beatLatch.await(heartBeatTimeIntervalMs, TimeUnit.MILLISECONDS);
        // 如果集群中过半节点对心跳包返回了成功的状态
        if (memberState.isQuorum(succNum.get())) {
            // 记录心跳成功的时间
            lastSuccHeartBeatTime = System.currentTimeMillis();
        } else {
            logger.info("[{}] Parse heartbeat responses in cost={} term={} allNum={} succNum={} notReadyNum={} inconsistLeader={} maxTerm={} peerSize={} lastSuccHeartBeatTime={}",
                memberState.getSelfId(), DLedgerUtils.elapsed(startHeartbeatTimeMs), term, allNum.get(), succNum.get(), notReadyNum.get(), inconsistLeader.get(), maxTerm.get(), memberState.peerSize(), new Timestamp(lastSuccHeartBeatTime));
            if (memberState.isQuorum(succNum.get() + notReadyNum.get())) { // 如果成功的个数+未准备好的个数
                // 上次发送心跳的时间间隔置为-1
                lastSendHeartBeatTime = -1;
            } else if (maxTerm.get() > term) { // 如果Term信息过期
                // 转为Candidate重新选举，这里传入的是maxTerm的值
                changeRoleToCandidate(maxTerm.get()); 
            } else if (inconsistLeader.get()) { // 如果inconsistLeader为true
                 // 转为Candidate重新选举
                changeRoleToCandidate(term);
            } else if (DLedgerUtils.elapsed(lastSuccHeartBeatTime) > maxHeartBeatLeak * heartBeatTimeIntervalMs) {
                // 如果上次成功发送心跳的时间大于 最大心跳时间* 心跳发送间隔
                changeRoleToCandidate(term);
            }
        }
    }
}

Follower

当节点收到心跳包并同意发起选举的节点成为Leader时，会转为Follower角色，在下次执行doWork方法时会进入到maintainAsFollower的处理逻辑，会判断上次收到心跳包的实际是否超过了两倍的发送心跳间隔，如果超过，判断当前节点是否是Follower并且上次收到心跳包的时间大于最大心跳时间 * 每次发送心跳的时间间隔，如果成立，会调用changeRoleToCandidate方法 转为Candidate发起竞选，也就是说如果Follower节点长时间未收到Leader节点的心跳请求，会认为Leader出现了故障，所以会转为Candidate重新发起竞选：

public class DLedgerLeaderElector {
    private void maintainAsFollower() {
        // 上次收到心跳包的时间是否超过了两倍的发送心跳间隔
        if (DLedgerUtils.elapsed(lastLeaderHeartBeatTime) > 2 * heartBeatTimeIntervalMs) {
            synchronized (memberState) {
                // 如果是Follower并且上次收到心跳包的时间大于 最大心跳时间 * 每次发送心跳的时间间隔
                if (memberState.isFollower() && (DLedgerUtils.elapsed(lastLeaderHeartBeatTime) > maxHeartBeatLeak * heartBeatTimeIntervalMs)) {
                    logger.info("[{}][HeartBeatTimeOut] lastLeaderHeartBeatTime: {} heartBeatTimeIntervalMs: {} lastLeader={}", memberState.getSelfId(), new Timestamp(lastLeaderHeartBeatTime), heartBeatTimeIntervalMs, memberState.getLeaderId());
                    // 转为Candidate发起竞选
                    changeRoleToCandidate(memberState.currTerm());
                }
            }
        }
    }
}

总结

参考

【中间件兴趣圈】源码分析 RocketMQ DLedger 多副本之 Leader 选主

RocketMQ源码分析之Dledger模式

RocketMQ版本：4.9.3