6.8 KiB
6.8 选举定时器（Election Timer）
（选举定时器在上一篇有过一些介绍）
任何一条AppendEntries消息都会重置所有Raft节点的选举定时器。这样，只要Leader还在线，并且它还在以合理的速率（不能太慢）发出心跳或者其他的AppendEntries消息，Followers收到了AppendEntries消息，会重置自己的选举定时器，这样Leader就可以阻止任何其他节点成为一个候选人。所以只要所有环节都在正常工作，不断重复的心跳会阻止任何新的选举发生。当然，如果网络故障或者发生了丢包，不可避免的还是会有新的选举。但是如果一切都正常，我们不太可能会有一次新的选举。
如果一次选举选出了0个Leader，这次选举就失败了。有一些显而易见的场景会导致选举失败，例如太多的服务器关机或者不可用了，或者网络连接出现故障。这些场景会导致你不能凑齐过半的服务器，进而也不能赢得选举，这时什么事也不会发生。
一个导致选举失败的更有趣的场景是，所有环节都在正常工作，没有故障，没有丢包，但是候选人们几乎是同时参加竞选，它们分割了选票（Split Vote）。假设我们有一个3节点的多副本系统，3个节点的选举定时器几乎同超时，进而期触发选举。首先，每个节点都会为自己投票。之后，每个节点都会收到其他节点的RequestVote消息，因为该节点已经投票给自己了，所以它会返回反对投票。这意味着，3个节点中的每个节点都只能收到一张投票（来自于自己）。没有一个节点获得了过半投票，所以也就没有人能被选上。接下来它们的选举定时器会重新计时，因为选举定时器只会在收到了AppendEntries消息时重置，但是由于没有Leader，所有也就没有AppendEntries消息。所有的选举定时器重新开始计时，如果我们不够幸运的话，所有的定时器又会在同一时间到期，所有节点又会投票给自己，又没有人获得了过半投票，这个状态可能会一直持续下去。
Raft不能完全避免分割选票（Split Vote），但是可以使得这个场景出现的概率大大降低。Raft通过为选举定时器随机的选择超时时间来达到这一点。我们可以这样来看这种随机的方法。假设这里有个时间线，我会在上面画上事件。在某个时间，所有的节点收到了最后一条AppendEntries消息。之后，Leader就故障了。我们这里假设Leader在发出最后一次心跳之后就故障关机了。所有的Followers在同一时间重置了它们的选举定时器，因为它们大概率在同一时间收到了这条AppendEntries消息。
它们都重置了自己的选举定时器，这样在将来的某个时间会触发选举。但是这时，它们为选举定时器选择了不同的超时时间。
假设故障的旧的Leader是服务器1，那么服务器2（S2），服务器3（S3）会在这个点为它们的选举定时器设置随机的超时时间。
假设S2的选举定时器的超时时间在这，而S3的在这。
这个图里的关键点在于，因为不同的服务器都选取了随机的超时时间，总会有一个选举定时器先超时，而另一个后超时。假设S2和S3之间的差距足够大，先超时的那个节点（也就是S2）能够在另一个节点（也就是S3）超时之前，发起一轮选举，并获得过半的选票，那么那个节点（也就是S2）就可以成为新的Leader。大家都明白了随机化是如何去除节点之间的同步特性吗？
这里对于选举定时器的超时时间的设置，需要注意一些细节。一个明显的要求是，选举定时器的超时时间需要至少大于Leader的心跳间隔。这里非常明显，假设Leader每100毫秒发出一个心跳，你最好确认所有节点的选举定时器的超时时间不要小于100毫秒，否则该节点会在收到正常的心跳之前触发选举。所以，选举定时器的超时时间下限是一个心跳的间隔。实际上由于网络可能丢包，这里你或许希望将下限设置为多个心跳间隔。所以如果心跳间隔是100毫秒，你或许想要将选举定时器的最短超时时间设置为300毫秒，也就是3次心跳的间隔。所以，如果心跳间隔是这么多（两个AE之间），那么你会想要将选举定时器的超时时间下限设置成心跳间隔的几倍，在这里。
那超时时间的上限呢？因为随机的话都是在一个范围内随机，那我们应该在哪设置超时时间的上限呢？在一个实际系统中，有几点需要注意。
首先，这里的最大超时时间影响了系统能多快从故障中恢复。因为从旧的Leader故障开始，到新的选举开始这段时间，整个系统是瘫痪了。尽管还有一些其他服务器在运行，但是因为没有Leader，客户端请求会被丢弃。所以，这里的上限越大，系统的恢复时间也就越长。这里究竟有多重要，取决于我们需要达到多高的性能，以及故障出现的频率。如果一年才出一次故障，那就无所谓了。如果故障很频繁，那么我们或许就该关心恢复时间有多长。这是一个需要考虑的点。
另一个需要考虑的点是，不同节点的选举定时器的超时时间差（S2和S3之间）必须要足够长，使得第一个开始选举的节点能够完成一轮选举。这里至少需要大于发送一条RPC所需要的往返（Round-Trip）时间。
或许需要10毫秒来发送一条RPC，并从其他所有服务器获得响应。如果这样的话，我们需要设置超时时间的上限到足够大，从而使得两个随机数之间的时间差极有可能大于10毫秒。
在Lab2中，如果你的代码不能在几秒内从一个Leader故障的场景中恢复的话，测试代码会报错。所以这种场景下，你们需要调小选举定时器超时时间的上限。这样的话，你才可能在几秒内完成一次Leader选举。这并不是一个很严格的限制。
这里还有一个小点需要注意，每一次一个节点重置自己的选举定时器时，都需要重新选择一个随机的超时时间。也就是说，不要在服务器启动的时候选择一个随机的超时时间，然后反复使用同一个值。因为如果你不够幸运的话，两个服务器会以极小的概率选择相同的随机超时时间，那么你会永远处于分割选票的场景中。所以你需要每次都为选举定时器选择一个不同的随机超时时间。