面试题：分布式系统中Raft算法如何保证分布式日志的一致性

Question

在分布式系统场景下，阐述Raft算法在确保分布式日志一致性方面采取的核心机制，例如选举机制、日志复制机制等是如何协同工作的？

Answer 1

选举机制

1. 角色与状态：Raft 中有三种角色，分别是领导者（Leader）、跟随者（Follower）和候选人（Candidate）。跟随者在一段时间内（选举超时时间）未收到领导者的心跳，就会转变为候选人发起选举。
2. 投票规则：候选人向其他节点发送 RequestVote 消息请求投票。每个节点（包括候选人自己）在一个选举周期内只能投一票，按照先来先得的原则。如果收到大多数节点（超过半数）的投票，候选人就成为领导者。
3. 心跳机制：领导者通过定期向跟随者发送心跳（AppendEntries 消息，内容为空的日志条目）来维持其领导地位。跟随者收到心跳后，重置选举超时时间，继续保持跟随者状态。

日志复制机制

1. 日志结构：Raft 中的日志由一系列的日志条目组成，每个条目包含指令和任期号。任期号用于标识领导者的任期，新的领导者任期号会递增。
2. 日志同步：客户端向领导者发送写请求，领导者将请求封装成日志条目添加到自己的日志中，然后向跟随者发送 AppendEntries 消息，包含新的日志条目。跟随者收到消息后，首先检查任期号是否一致，如果不一致则拒绝；如果一致，将日志条目追加到自己的日志中，并向领导者发送确认消息。
3. 一致性检查：领导者在收到大多数跟随者的确认消息后，将日志条目标记为已提交，并应用到状态机中。同时，领导者继续向尚未同步的跟随者发送 AppendEntries 消息，确保所有节点的日志最终一致。

两者协同工作

1. 选举完成后日志同步：当新的领导者选举产生后，领导者会遍历自己的日志，向跟随者发送 AppendEntries 消息，使跟随者的日志与自己保持一致。如果跟随者的日志与领导者不一致，领导者会根据日志条目的索引和任期号，让跟随者删除不一致的部分并追加新的日志条目。
2. 领导过程中日志维护：在领导者的任期内，通过心跳和日志复制消息持续保持与跟随者的通信。如果领导者发现某个跟随者的日志落后太多，会加大同步频率，以确保整个分布式系统的日志一致性。同时，领导者在收到客户端请求后，会优先将日志条目复制到大多数节点，再应用到状态机，从而保证即使领导者崩溃，新选举出的领导者也能基于已提交的日志继续提供服务。