🗳️ 共识算法：Raft & Paxos

什么是共识？

共识问题是分布式系统最根本的问题：如何让多个独立节点就某个值达成一致决定，且这个决定是最终的、不可撤销的。

共识的典型应用场景：

• Leader Election：谁当 Leader？etcd 使用 Raft 选举 Leader
• Log Replication：Leader 的日志条目被复制到所有 Follower
• 分布式锁：同一时间只有一个客户端持有锁
• 配置变更：集群成员变更需要所有节点同意

Raft：为了可理解性而设计

Raft 由 Diego Ongaro 和 John Ousterhout 在 2014 年发表（In Search of an Understandable Consensus Algorithm），获 USENIX ATC 最佳论文奖。核心理念：Paxos 难以理解是它的问题，不是共识本身的问题。

Raft 的三个子问题

Raft 将共识分解为三个相对独立的子问题，每个都可以独立理解、实现和测试：

Raft 选举流程

日志复制流程

Raft 代码示例（Go 伪代码）

// Leader Election 核心逻辑
func (rf *Raft) tickElection() {
    rf.electionTimer.Reset(randomTimeout(150ms, 300ms))
    if rf.state != Leader {
        rf.startElection()
    }
}

func (rf *Raft) startElection() {
    rf.state = Candidate
    rf.currentTerm++
    rf.votedFor = rf.me  // 投自己一票
    votes := 1
    
    for _, peer := range rf.peers {
        if peer == rf.me { continue }
        go func(peer int) {
            reply := &RequestVoteReply{}
            ok := rf.sendRequestVote(peer, &RequestVoteArgs{
                Term:         rf.currentTerm,
                CandidateId:  rf.me,
                LastLogIndex: rf.log.lastIndex(),
                LastLogTerm:  rf.log.lastTerm(),
            }, reply)
            if ok && reply.VoteGranted {
                votes++
                if votes > len(rf.peers)/2 && rf.state == Candidate {
                    rf.becomeLeader()
                }
            }
        }(peer)
    }
}

// Log Replication 核心逻辑
func (rf *Raft) AppendEntries(args *AppendEntriesArgs, reply *AppendEntriesReply) {
    // 1. Reply false if term < currentTerm
    if args.Term < rf.currentTerm {
        reply.Success = false
        return
    }
    // 2. Reply false if log doesn't contain entry at prevLogIndex
    if !rf.log.hasEntry(args.PrevLogIndex, args.PrevLogTerm) {
        reply.Success = false
        return
    }
    // 3. Delete conflicting entries, append new ones
    rf.log.truncateAndAppend(args.Entries)
    // 4. Update commitIndex
    if args.LeaderCommit > rf.commitIndex {
        rf.commitIndex = min(args.LeaderCommit, rf.log.lastIndex())
    }
    reply.Success = true
}

Paxos：共识的奠基者

Paxos 由 Leslie Lamport 在 1989 年提出（1998 年正式发表），是分布式共识的理论基石。Raft 本质上是 Paxos 的一个特定变体，但做了关键的设计选择来提升可理解性。

Basic Paxos

Basic Paxos 解决单值共识。三个角色：Proposer（提出提案）、Acceptor（投票接受）、Learner（学习结果）。

Raft vs Paxos 对比

生产实践：谁在用 Raft？

etcd Raft 实操

启动 3 节点 etcd 集群

# 节点 1
etcd --name node1 \
  --listen-client-urls http://10.0.0.1:2379 \
  --advertise-client-urls http://10.0.0.1:2379 \
  --listen-peer-urls http://10.0.0.1:2380 \
  --initial-advertise-peer-urls http://10.0.0.1:2380 \
  --initial-cluster node1=http://10.0.0.1:2380,node2=http://10.0.0.2:2380,node3=http://10.0.0.3:2380 \
  --initial-cluster-token my-etcd-cluster \
  --initial-cluster-state new

# 写入数据
etcdctl put /config/key "value"
etcdctl get /config/key

# 查看 Leader
etcdctl endpoint status --write-out=table

# 查看集群成员
etcdctl member list --write-out=table

# 分布式锁
etcdctl lock my-lock -- ./my-script.sh

# Leader 选举
etcdctl elect my-election "candidate-value"

Watch API（Kubernetes 的核心机制）

# Python 示例：监听 etcd key 变更
import etcd3

etcd = etcd3.client()

# Watch 一个前缀下的所有 key
events_iterator, cancel = etcd.watch_prefix('/services/')

for event in events_iterator:
    if isinstance(event, etcd3.events.PutEvent):
        print(f"Service registered: {event.key} = {event.value}")
    elif isinstance(event, etcd3.events.DeleteEvent):
        print(f"Service deregistered: {event.key}")

# 事务：CAS (Compare-And-Swap)
etcd.transaction(
    compare=[etcd.transactions.version('/lock') == 0],
    success=[etcd.transactions.put('/lock', 'owner-1')],
    failure=[]
)

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