面试题：分布式系统中Raft算法如何选举领导者

Question

在Raft算法中，描述领导者选举的具体过程，包括节点状态转换、选举超时机制以及多数派的作用。

Answer 1

领导者选举具体过程

1. 节点状态转换：
   • 初始状态：Raft集群中的节点初始状态为Follower（跟随者）。Follower节点被动接收来自Leader（领导者）的心跳信息，若在一定时间内未收到心跳，则转换为Candidate（候选人）状态。
   • Candidate状态：Candidate节点发起选举，首先自增其选举任期号（term），然后向集群中的其他节点发送RequestVote RPC（远程过程调用）请求投票。在等待投票结果过程中，它可能会发生以下状态转换：
     • 如果收到集群中多数节点的投票（包括自己的一票），则转换为Leader状态。此时，它开始向其他节点发送心跳信息以维持领导地位。
     • 如果在选举超时时间内没有收到多数节点的投票，且同时收到了来自其他节点的更高任期号的心跳或RequestVote RPC，则将自己的状态转换回Follower，并更新自己的任期号为收到的更高任期号。
     • 如果在选举超时时间内，收到其他Candidate节点的更高任期号的RequestVote RPC，则转换回Follower状态，并更新自己的任期号为收到的更高任期号。
   • Leader状态：Leader节点负责处理客户端请求，将日志条目复制到其他节点，并定期向Follower节点发送心跳信息（AppendEntries RPC）以维持领导地位。若Leader节点发现有更高任期号的RequestVote RPC或心跳信息，则转换回Follower状态。
2. 选举超时机制：
   • 作用：选举超时机制用于触发领导者选举。Follower节点在一定时间内（选举超时时间，通常是一个随机值，例如150 - 300毫秒）未收到来自Leader的心跳信息时，认为Leader可能已失效，从而发起选举。
   • 实现：每个Follower节点都维护一个选举超时定时器，当收到来自Leader的心跳时，重置该定时器。若定时器超时，则节点转换为Candidate状态并发起选举。这种随机化的选举超时时间设置有助于避免多个Follower节点同时超时并发起选举，从而减少选举冲突。
3. 多数派的作用：
   • 选举决策：在选举过程中，Candidate节点需要获得集群中多数节点（超过半数）的投票才能当选为Leader。这是因为多数派保证了在任何时刻，集群中最多只有一个节点能够获得多数投票，从而避免出现多个Leader的情况，确保集群的一致性。
   • 日志一致性：多数派在日志复制过程中也起着关键作用。Leader节点在将日志条目复制到多数Follower节点后，才会认为该日志条目已提交。这确保了即使Leader节点崩溃，新选举出的Leader节点也能保证已提交日志条目的一致性，因为新Leader节点必然包含这些已被多数节点复制的日志条目。