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用 Golang 快速实现 Paxos 分布式共识算法

时间:2020-12-15 11:51:58  来源:  作者:

前文《理解 Paxos》只包含伪代码,帮助了理解但又不够爽,既然现在都讲究 Talk is cheap. Show me the code.这次就把文章中的伪代码用 Go 语言实现出来,希望能帮助各位朋友更直观的感受 Paxos 论文中的细节。

但我们需要对算法做一些简化,有多简单呢?我们不持久化存储任何变量,并且用 chan直接代替 RPC 调用。

代码地址:https://github.com/tangwz/paxos/tree/naive

记得切换到 naive 分支。

 

定义相关结构体

我们定义 Proposer 如下:

type proposer struct {
// server id
id int
// the largest round number the server has seen
round int
// proposal number = (round number, serverID)
number int
// proposal value
value string
acceptors map[int]bool
net network
}

这些结构体成员都很容易理解,其中 acceptors我们主要用来存储 Acceptors 的地址,以及记录我们收到 Acceptor 的成功/失败响应。

Acceptor 的结构体:

type acceptor struct {
// server id
id int
// the number of the proposal this server will accept, or 0 if it has never received a Prepare request
promiseNumber int
// the number of the last proposal the server has accepted, or 0 if it never accepted any.
acceptedNumber int
// the value from the most recent proposal the server has accepted, or if it has never accepted a proposal
acceptedValue string
learners int
net network
}

主要成员解释都有注释,简单来说我们需要记录三个信息:

  • promiseNumber:承诺的提案编号

  • acceptedNumber:接受的提案编号

  • acceptedValue:接受的提案值

 

定义消息结构体

消息结构体定义了 Proposer 和 Acceptor 之间、Acceptor 和 Leaner 之间的通讯协议。最主要的还是 Paxos 的两阶段的四个消息。

  • Phase 1 请求:提案编号

  • Phase 1 响应:如果有被 Accepted 的提案,返回提案编号提案值

  • Phase 2 请求:提案编号提案值

  • Phase 2 响应:Accepted 的提案编号提案值

这样看,我们的消息结构体只需要提案编号和提案值,加上一个消息类型,用来区分是哪个阶段的消息。消息结构体定义在 message.go 文件,具体如下:

// MsgType represents the type of a paxos phase.
type MsgType uint8const (Prepare MsgType = iota
PromiseProposeAccept)type message struct {
tp MsgTypefrom intto intnumber int // proposal number
value string // proposal value
}

 

实现网络

网络上可以做的选择和优化很多,但这里为了保持简单的原则,我们将网络定义成 interface。后面完全可以改成 RPC 或 API 等其它通信方式来实现(没错,我已经实现了一个 Go RPC 的版本了)。

type network interface {
send(m message)recv(timeout time.Duration) (message, bool)
}

接下里我们去实现 network 接口:

type Network struct {
queue map[int]chan message
}func newNetwork(nodes ...int) *Network {
pn := &Network{queue: make(map[int]chan message, 0),
}for _, a := range nodes {
pn.queue[a] = make(chan message, 1024)
}return pn
}func (net *Network) send(m message) {
log.Printf("net: send %+v", m)
net.queue[m.to] <- m}func (net *Network) recvFrom(from int, timeout time.Duration) (message, bool) {
select {
case m := <-net.queue[from]:
log.Printf("net: recv %+v", m)
return m, true
case <-time.After(timeout):return message{}, false
}}

就是用 queue来记录每个节点的chan,key 则是节点的 server id。

发送消息则将 Message发送到目标节点的chan中,接受消息直接从chan中读取数据,并等待对应的超时时间。

不需要做其它网络地址、包相关的东西,所以非常简单。具体在 network.go文件。

 

实现单元测试

这个项目主要使用 go 单元测试来检验正确性,我们主要测试两种场景:

  • TestSingleProposer(单个 Proposer)

  • TestTwoProposers(多个 Proposer)

测试代码通过运行 Paxos 后检查 Chosen 返回的提案值是否符合预期。

 

实现算法流程

按照角色将文件分为 proposer.go, acceptor.go 和 learner.go,每个文件都有一个 run函数来运行程序,run函数执行条件判断,并在对应的阶段执行对应的函数。

按照伪代码描述,我们很容易实现 Phase 1 和 Phase 2,把每个阶段的请求响应都作为一个函数,我们一步步来看。

 

第一轮 Prepare RPCs 请求阶段:

// Phase 1. (a) A proposer selects a proposal number n

// and sends a prepare request with number n to

// a majority of acceptors.

func (p *proposer) prepare message {
p.round++p.number = p.proposalNumbermsg := make(message, p.majority)i := 0
for to := range p.acceptors {
msg[i] = message{tp: Prepare,
from: p.id,
to: to,
number: p.number,
}i++if i == p.majority {
break}}return msg
}// proposal number = (round number, serverID)
func (p *proposer) proposalNumber int {
return p.round<< 16 | p.id
}

Prepare 请求阶段我们将 round+1 然后发送给多数派 Acceptors。

注:这里很多博客和教程都会将 Prepare RPC 发给所有的Acceptors,6.824 的 paxos 实验就将 RPC 发送给所有 Acceptors。这里保持和论文一致,只发送给 a majority of acceptors。

 

第一轮 Prepare RPCs 响应阶段:

接下来在 acceptor.go文件中处理请求:

func (a *acceptor) handlePrepare(args message) (message, bool) {
if a.promiseNumber >= args.number {
return message{}, false
}a.promiseNumber = args.numbermsg := message{tp: Promise,from: a.id,to: args.from,number: a.acceptedNumber,value: a.acceptedValue,}return msg, true
}
  • 如果 args.number大于acceptor.promiseNumber,则承诺将不会接收编号小于args.number的提案(即a.promiseNumber = args.number)。如果之前有提案被 Accepted 的话,响应还应包含 a.acceptedNumber 和 a.acceptedValue。

  • 否则忽略,返回 false

 

第二轮 Accept RPCs 请求阶段:

func (p *proposer) accept message {
msg := make(message, p.majority)
i := 0
for to, ok := range p.acceptors {
if ok {
msg[i] = message{tp: Propose,from: p.id,to: to,number: p.number,value: p.value,}i++}if i == p.majority {
break
}}return msg
}

当 Proposer 收到超过半数 Acceptor 的响应后,Proposer 向多数派的 Acceptor 发起请求并带上提案编号和提案值。

 

第二轮 Accept RPCs 响应阶段:

func (a *acceptor) handleAccept(args message) bool {
number := args.numberif number >= a.promiseNumber {a.acceptedNumber = numbera.acceptedValue = args.valuea.promiseNumber = numberreturn true
}return false
}

Acceptor 收到 Accept请求,在这期间如果 Acceptor 没有对比 a.promiseNumber 更大的编号另行 Promise,则接受该提案。

 

别忘了:Learning a Chosen Value

在 Paxos 中有一个十分容易混淆的概念:Chosen Value 和 Accepted Value,但如果你看过论文,其实已经说得非常直接了。论文的 2.3 节 Learning a Chosen Value 开头就说:

To learn that a value has been chosen, a learner must find out that a proposal has been accepted by a majority of acceptors.

所以 Acceptor 接受提案后,会将接受的提案广播 Leaners,一旦 Leaners 收到超过半数的 Acceptors 的 Accepted 提案,我们就知道这个提案被 Chosen 了。

func (l *learner) chosen (message, bool) {
acceptCounts := make(map[int]int)
acceptMsg := make(map[int]message)
for _, accepted := range l.acceptors {
if accepted.number != 0 {
acceptCounts[accepted.number]++acceptMsg[accepted.number] = accepted}}for n, count := range acceptCounts {
if count >= l.majority {
return acceptMsg[n], true
}}return message{}, false
}

 

运行和测试

代码拉下来后,直接运行:

go test

 

写在后面

为什么不用 mit 6.824 的课程代码?

之前我曾把 mit 6.824 的 Raft 答案推到自己的 Github,直到 2020 开课的时候 mit 的助教发邮件让我将我的代码转为 private,因为这样会导致学习课程的人直接搜到代码,而无法保证作业独立完成。

确实,实验是计算机最不可或缺的环节,用 mit 6.824 2015 的 paxos 代码会导致很多学习者不去自己解决困难,直接上网搜代码,从而导致学习效果不好,违背了 mit 的初衷。

当然,你也可以说现在网上以及很容易搜到 6.824 的各种代码了,但出于之前 mit 助教的邮件,我不会将作业代码直接发出来。

感兴趣的同学可以到 2015 版本学习:http://nil.csail.mit.edu/6.824/2015/

 

未来计划

  • 实现一个完整的(包含网络和存储的) Paxos

  • 基于 Paxos 实现一个 Paxos KV 存储

  • 实现其它 Paxos 变种

欢迎各位朋友催更……

 

结语

本文代码在 Github 上,如本文有什么遗漏或者不对之处,或者各位朋友有什么新的想法,欢迎提 issue 讨论。

技术原创及架构实践文章,欢迎通过公众号菜单「联系我们」进行投稿。

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