phxpaxos的Proposer和Acceptor的流程
2024-06-19 17:38:01
在paxos算法中，主要包含了三个角色，proposer、accepter和learner。learner在paxos算法的论文中提及不是很详细，但是在phxpaxos实现是最为复杂的，之后独立一篇文章分析。
在微信的文档中，通过推导，一步一步得出simple-paxos正式算法的流程，推导的过程可以反复看看原先的文档（Paxos理论介绍(1): 朴素Paxos算法理论推导与证明），理解透了收益非浅。
这里主要分析phxpaxos的proposer和Acceptor代码实现算法的过程。
先看看算法的主要过程，给出的一页PPT如下：
在phxpaxos的代码中，整理出主要流程如下图，
在图中，左边是propoer的流程，右边是accepter的流程。其实就是最简单的方式实现了文档中paxos算法的流程。这里按照代码的主要流程来进行一步步分析。
首先，Propose的处理：
int Proposer :: NewValue(const std::string & sValue)
{
BP->GetProposerBP()->NewProposal(sValue);
if (m_oProposerState.GetValue().size() == 0)
{
m_oProposerState.SetValue(sValue);
}
m_iLastPrepareTimeoutMs = START_PREPARE_TIMEOUTMS;
m_iLastAcceptTimeoutMs = START_ACCEPT_TIMEOUTMS;
if (m_bCanSkipPrepare && !m_bWasRejectBySomeone)
{
//本节点之前已经执行过Prepare阶段，并且Prepare阶段或者Accept阶段没有被人拒绝过。。
BP->GetProposerBP()->NewProposalSkipPrepare();
PLGHead("skip prepare, directly start accept");
Accept();
}
else
{
//这里被人拒绝过就增加proposalID，否则，沿用之前的proposalID
//if not reject by someone, no need to increase ballot
Prepare(m_bWasRejectBySomeone);
}
return 0;
}
Propose的代码就是一些初始化并调用Prepare，这里有一个Multi-paxos的处理，就是有选择性的跳过Prepare，当前的proposer已经进行过了提交，并且在Prepare阶段或者Accept阶段没有被拒绝过，则跳过prepare阶段，具体的推导过程可以见（Paxos理论介绍(2): Multi-Paxos与Leader）。
接着进入Prepare，代码如下：
void Proposer :: Prepare(const bool bNeedNewBallot)
{
PLGHead("START Now.InstanceID %lu MyNodeID %lu State.ProposalID %lu State.ValueLen %zu",
GetInstanceID(), m_poConfig->GetMyNodeID(), m_oProposerState.GetProposalID(),
m_oProposerState.GetValue().size());
BP->GetProposerBP()->Prepare();
m_oTimeStat.Point();
//重置proposer的状态，退出Accept状态，进入Prepare状态
ExitAccept();
m_bIsPreparing = true;
m_bCanSkipPrepare = false;
m_bWasRejectBySomeone = false;
//是否需要重新分配ballot，被人拒绝过就需要重新分配
m_oProposerState.ResetHighestOtherPreAcceptBallot();
if (bNeedNewBallot)
{
m_oProposerState.NewPrepare();
}
PaxosMsg oPaxosMsg;
oPaxosMsg.set_msgtype(MsgType_PaxosPrepare);
oPaxosMsg.set_instanceid(GetInstanceID());
oPaxosMsg.set_nodeid(m_poConfig->GetMyNodeID());
oPaxosMsg.set_proposalid(m_oProposerState.GetProposalID());
m_oMsgCounter.StartNewRound();
//设置Prepare超时定时器
AddPrepareTimer();
PLGHead("END OK");
//发送Prepare消息。BroadcastMessage默认采用UDP方式发送，自己先执行，再发送给其他的节点
BroadcastMessage(oPaxosMsg);
}
Prepare主要判断是否需要重新分配ballot，并且增加一个Prepare定时器，超时重新进行Prepare。这里有一行代码：
m_oMsgCounter.StartNewRound();
m_oMsgCounter主要负责统计是否通过投票，每次prepare或者accept都会清空，表示新一轮投票。
接下来我们看看Accepter通过OnPrepare函数来处理Prepare的消息的代码：
int Acceptor :: OnPrepare(const PaxosMsg & oPaxosMsg)
{
PLGHead("START Msg.InstanceID %lu Msg.from_nodeid %lu Msg.ProposalID %lu",
oPaxosMsg.instanceid(), oPaxosMsg.nodeid(), oPaxosMsg.proposalid());
BP->GetAcceptorBP()->OnPrepare();
PaxosMsg oReplyPaxosMsg;
oReplyPaxosMsg.set_instanceid(GetInstanceID());
oReplyPaxosMsg.set_nodeid(m_poConfig->GetMyNodeID());
oReplyPaxosMsg.set_proposalid(oPaxosMsg.proposalid());
oReplyPaxosMsg.set_msgtype(MsgType_PaxosPrepareReply);
BallotNumber oBallot(oPaxosMsg.proposalid(), oPaxosMsg.nodeid());
if (oBallot >= m_oAcceptorState.GetPromiseBallot())
{
//Ballot大于承诺的ballot, 则触发Promise操作
PLGDebug("[Promise] State.PromiseID %lu State.PromiseNodeID %lu "
"State.PreAcceptedID %lu State.PreAcceptedNodeID %lu",
m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llProposalID,
m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llNodeID,
m_oAcceptorState.GetAcceptedBallot().m_llProposalID,
m_oAcceptorState.GetAcceptedBallot().m_llNodeID);
//设置承认的ballot
oReplyPaxosMsg.set_preacceptid(m_oAcceptorState.GetAcceptedBallot().m_llProposalID);
oReplyPaxosMsg.set_preacceptnodeid(m_oAcceptorState.GetAcceptedBallot().m_llNodeID);
if (m_oAcceptorState.GetAcceptedBallot().m_llProposalID > 0)
{
oReplyPaxosMsg.set_value(m_oAcceptorState.GetAcceptedValue());
}
//设置promise ballot 的值
m_oAcceptorState.SetPromiseBallot(oBallot);
//持久化
int ret = m_oAcceptorState.Persist(GetInstanceID(), GetLastChecksum());
if (ret != 0)
{
BP->GetAcceptorBP()->OnPreparePersistFail();
PLGErr("Persist fail, Now.InstanceID %lu ret %d",
GetInstanceID(), ret);
return -1;
}
BP->GetAcceptorBP()->OnPreparePass();
}
else
{
//Reject，并且告诉proposer拒绝他的promiseID的值
BP->GetAcceptorBP()->OnPrepareReject();
PLGDebug("[Reject] State.PromiseID %lu State.PromiseNodeID %lu",
m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llProposalID,
m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llNodeID);
oReplyPaxosMsg.set_rejectbypromiseid(m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llProposalID);
}
nodeid_t iReplyNodeID = oPaxosMsg.nodeid();
PLGHead("END Now.InstanceID %lu ReplyNodeID %lu",
GetInstanceID(), oPaxosMsg.nodeid());;
//通过UDP回消息
SendMessage(iReplyNodeID, oReplyPaxosMsg);
return 0;
}
可以对比看看算法的过程，是不是和代码的流程几乎一样，只是一个对PromiseID的判断，如果大于等于PromiseID，则Promise，否则Reject。
接下来，Proposer收到每个Accepter发回的OnPrepareReply代码如下：
void Proposer :: OnPrepareReply(const PaxosMsg & oPaxosMsg)
{
PLGHead("START Msg.ProposalID %lu State.ProposalID %lu Msg.from_nodeid %lu RejectByPromiseID %lu",
oPaxosMsg.proposalid(), m_oProposerState.GetProposalID(),
oPaxosMsg.nodeid(), oPaxosMsg.rejectbypromiseid());
BP->GetProposerBP()->OnPrepareReply();
if (!m_bIsPreparing)
{
//不处于Preparing状态，直接退出
BP->GetProposerBP()->OnPrepareReplyButNotPreparing();
//PLGErr("Not preparing, skip this msg");
return;
}
if (oPaxosMsg.proposalid() != m_oProposerState.GetProposalID())
{
//proposalID不匹配，也直接退出
BP->GetProposerBP()->OnPrepareReplyNotSameProposalIDMsg();
//PLGErr("ProposalID not same, skip this msg");
return;
}
//消息计数器增加收到消息的节点
m_oMsgCounter.AddReceive(oPaxosMsg.nodeid());
if (oPaxosMsg.rejectbypromiseid() == 0)
{
//Promise，消息计数器中增加PromiseOrAccept的节点，
//并且将该节点的promise id、提案值更新到本地
BallotNumber oBallot(oPaxosMsg.preacceptid(), oPaxosMsg.preacceptnodeid());
PLGDebug("[Promise] PreAcceptedID %lu PreAcceptedNodeID %lu ValueSize %zu",
oPaxosMsg.preacceptid(), oPaxosMsg.preacceptnodeid(), oPaxosMsg.value().size());
m_oMsgCounter.AddPromiseOrAccept(oPaxosMsg.nodeid());
m_oProposerState.AddPreAcceptValue(oBallot, oPaxosMsg.value());
}
else
{
//Reject，消息计数器中增加Reject的节点,将m_bWasRejectBySomeone置为true，表示proposalID需要增加
//增加的大小在拒绝的accepter的promiseID的大小和本机的ProposalID的最大值加1
PLGDebug("[Reject] RejectByPromiseID %lu", oPaxosMsg.rejectbypromiseid());
m_oMsgCounter.AddReject(oPaxosMsg.nodeid());
m_bWasRejectBySomeone = true;
m_oProposerState.SetOtherProposalID(oPaxosMsg.rejectbypromiseid());
}
if (m_oMsgCounter.IsPassedOnThisRound())
{
//通过了之后，将m_bCanSkipPrepare置为true，表面可以跳过prepare状态。启动Accept流程
int iUseTimeMs = m_oTimeStat.Point();
BP->GetProposerBP()->PreparePass(iUseTimeMs);
PLGImp("[Pass] start accept, usetime %dms", iUseTimeMs);
m_bCanSkipPrepare = true;
Accept();
}
else if (m_oMsgCounter.IsRejectedOnThisRound()
|| m_oMsgCounter.IsAllReceiveOnThisRound())
{
//拒绝了之后重置prepare定时器
BP->GetProposerBP()->PrepareNotPass();
PLGImp("[Not Pass] wait 30ms and restart prepare");
AddPrepareTimer(OtherUtils::FastRand() % 30 + 10);
}
PLGHead("END");
}
这里看看AddPreAcceptValue函数：
void ProposerState :: AddPreAcceptValue(
const BallotNumber & oOtherPreAcceptBallot,
const std::string & sOtherPreAcceptValue)
{
PLGDebug("OtherPreAcceptID %lu OtherPreAcceptNodeID %lu HighestOtherPreAcceptID %lu "
"HighestOtherPreAcceptNodeID %lu OtherPreAcceptValue %zu",
oOtherPreAcceptBallot.m_llProposalID, oOtherPreAcceptBallot.m_llNodeID,
m_oHighestOtherPreAcceptBallot.m_llProposalID, m_oHighestOtherPreAcceptBallot.m_llNodeID,
sOtherPreAcceptValue.size());
if (oOtherPreAcceptBallot.isnull())
{
//如果av为空。直接返回
return;
}
if (oOtherPreAcceptBallot > m_oHighestOtherPreAcceptBallot)
{
//如果ab大于maxb，则保存maxb和value
m_oHighestOtherPreAcceptBallot = oOtherPreAcceptBallot;
m_sValue = sOtherPreAcceptValue;
}
}
在simple paxos论文对第一阶段Accept描述如下：
If an acceptor receives a prepare request with number n greater than that of any prepare request to which it has already responded, then it responds to the request with a promise not to accept any more proposals numbered less than n and with the highest-numbered proposal (if any) that it has accepted.
如果ab>maxb且av不等于null，将maxb赋值为ab并且将value赋值为av，即上文说的，被accept的最高提案值。然后当多数派promise之后就进行accept。
Accept的代码如下：
void Proposer :: Accept()
{
PLGHead("START ProposalID %lu ValueSize %zu ValueLen %zu",
m_oProposerState.GetProposalID(), m_oProposerState.GetValue().size(), m_oProposerState.GetValue().size());
BP->GetProposerBP()->Accept();
m_oTimeStat.Point();
//退出Prepare状态，进入Accept状态
ExitPrepare();
m_bIsAccepting = true;
PaxosMsg oPaxosMsg;
oPaxosMsg.set_msgtype(MsgType_PaxosAccept);
oPaxosMsg.set_instanceid(GetInstanceID());
oPaxosMsg.set_nodeid(m_poConfig->GetMyNodeID());
oPaxosMsg.set_proposalid(m_oProposerState.GetProposalID());
oPaxosMsg.set_value(m_oProposerState.GetValue());
oPaxosMsg.set_lastchecksum(GetLastChecksum());
m_oMsgCounter.StartNewRound();
//增加Accept定时器
AddAcceptTimer();
PLGHead("END");
//Udp广播Accept消息，自己最后执行
BroadcastMessage(oPaxosMsg, BroadcastMessage_Type_RunSelf_Final);
}
基本流程和prepare差不多，就不多说了，看看accepter接受到accept的消息的OnAccept的代码：
void Acceptor :: OnAccept(const PaxosMsg & oPaxosMsg)
{
PLGHead("START Msg.InstanceID %lu Msg.from_nodeid %lu Msg.ProposalID %lu Msg.ValueLen %zu",
oPaxosMsg.instanceid(), oPaxosMsg.nodeid(), oPaxosMsg.proposalid(), oPaxosMsg.value().size());
BP->GetAcceptorBP()->OnAccept();
PaxosMsg oReplyPaxosMsg;
oReplyPaxosMsg.set_instanceid(GetInstanceID());
oReplyPaxosMsg.set_nodeid(m_poConfig->GetMyNodeID());
oReplyPaxosMsg.set_proposalid(oPaxosMsg.proposalid());
oReplyPaxosMsg.set_msgtype(MsgType_PaxosAcceptReply);
BallotNumber oBallot(oPaxosMsg.proposalid(), oPaxosMsg.nodeid());
if (oBallot >= m_oAcceptorState.GetPromiseBallot())
{
//Ballot大于承诺的ballot, 则触发Accept的操作
PLGDebug("[Promise] State.PromiseID %lu State.PromiseNodeID %lu "
"State.PreAcceptedID %lu State.PreAcceptedNodeID %lu",
m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llProposalID,
m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llNodeID,
m_oAcceptorState.GetAcceptedBallot().m_llProposalID,
m_oAcceptorState.GetAcceptedBallot().m_llNodeID);
//设置pb, ab和av
m_oAcceptorState.SetPromiseBallot(oBallot);
m_oAcceptorState.SetAcceptedBallot(oBallot);
m_oAcceptorState.SetAcceptedValue(oPaxosMsg.value());
//持久化
int ret = m_oAcceptorState.Persist(GetInstanceID(), GetLastChecksum());
if (ret != 0)
{
BP->GetAcceptorBP()->OnAcceptPersistFail();
PLGErr("Persist fail, Now.InstanceID %lu ret %d",
GetInstanceID(), ret);
return;
}
BP->GetAcceptorBP()->OnAcceptPass();
}
else
{
//Reject，并且告诉proposer拒绝他的promiseID的值
BP->GetAcceptorBP()->OnAcceptReject();
PLGDebug("[Reject] State.PromiseID %lu State.PromiseNodeID %lu",
m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llProposalID,
m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llNodeID);
oReplyPaxosMsg.set_rejectbypromiseid(m_oAcceptorState.GetPromiseBallot().m_llProposalID);
}
nodeid_t iReplyNodeID = oPaxosMsg.nodeid();
PLGHead("END Now.InstanceID %lu ReplyNodeID %lu",
GetInstanceID(), oPaxosMsg.nodeid());
//通过UDP回消息
SendMessage(iReplyNodeID, oReplyPaxosMsg);
}
这里也没有进行特殊的处理。在accept的处理中，如果接受了，则不能改变（当然了，如果遇到同一个instance的另一个ballot更高的提案接受，则更新为proposeid更高的提案），需要将提案值持久化，通过leveldb保存至本地数据库。
接着看看OnAcceptReplay 的代码如下：
void Proposer :: OnAcceptReply(const PaxosMsg & oPaxosMsg)
{
PLGHead("START Msg.ProposalID %lu State.ProposalID %lu Msg.from_nodeid %lu RejectByPromiseID %lu",
oPaxosMsg.proposalid(), m_oProposerState.GetProposalID(),
oPaxosMsg.nodeid(), oPaxosMsg.rejectbypromiseid());
BP->GetProposerBP()->OnAcceptReply();
if (!m_bIsAccepting)
{
//不处于Accept状态，直接退出
//PLGErr("Not proposing, skip this msg");
BP->GetProposerBP()->OnAcceptReplyButNotAccepting();
return;
}
if (oPaxosMsg.proposalid() != m_oProposerState.GetProposalID())
{
//proposalID不匹配，也直接退出
//PLGErr("ProposalID not same, skip this msg");
BP->GetProposerBP()->OnAcceptReplyNotSameProposalIDMsg();
return;
}
m_oMsgCounter.AddReceive(oPaxosMsg.nodeid());
if (oPaxosMsg.rejectbypromiseid() == 0)
{
//Accept，消息计数器中增加PromiseOrAccept的节点(m_oMsgCounter在每一轮Prepare或者Accept都会重置)
PLGDebug("[Accept]");
m_oMsgCounter.AddPromiseOrAccept(oPaxosMsg.nodeid());
}
else
{
//Reject，消息计数器中增加Reject的节点,将m_bWasRejectBySomeone置为true，表示proposalID需要增加
//增加的大小在拒绝的accepter的promiseID的大小和本机的ProposalID的最大值加1
PLGDebug("[Reject]");
m_oMsgCounter.AddReject(oPaxosMsg.nodeid());
m_bWasRejectBySomeone = true;
m_oProposerState.SetOtherProposalID(oPaxosMsg.rejectbypromiseid());
}
if (m_oMsgCounter.IsPassedOnThisRound())
{
//多数派同意了提案，退出Accept状态，发送实例中提案被chosen的消息
int iUseTimeMs = m_oTimeStat.Point();
BP->GetProposerBP()->AcceptPass(iUseTimeMs);
PLGImp("[Pass] Start send learn, usetime %dms", iUseTimeMs);
ExitAccept();
m_poLearner->ProposerSendSuccess(GetInstanceID(), m_oProposerState.GetProposalID());
}
else if (m_oMsgCounter.IsRejectedOnThisRound()
|| m_oMsgCounter.IsAllReceiveOnThisRound())
{
//失败，重置Accept定时器，Accept重新从Prepare开始，如果instance增加了则忽略提案
BP->GetProposerBP()->AcceptNotPass();
PLGImp("[Not pass] wait 30ms and Restart prepare");
AddAcceptTimer(OtherUtils::FastRand() % 30 + 10);
}
PLGHead("END");
}
在OnAcceptReply和OnPrepareReply的消息中，如果遇到不在预期状态的回复时，直接忽略。
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