反问面试官：如何实现集群内选主

面试官经常喜欢问什么zookeeper选主原理、什么CAP理论、什么数据一致性。经常都被问烦了，我就想问问面试官，你自己还会实现一个简单的集群内选主呢？估计大部分面试官自己也写不出来。

本篇使用 Java 和 Netty 实现简单的集群选主过程的示例。

这个示例展示了多个节点通过投票选举一个新的主节点的过程。Netty 用于节点间的通信，而每个节点则负责发起和响应选举消息。

集群选主流程

选主流程

咱们且不说zookeeper如何选主，单说人类选主，也是采用少数服从多数的原则。人类选主时，中间会经历如下过程：

（1）如果我没有熟悉的或者没找到能力比我强的，首先投给自己一票。

（2）随着时间推移，可能后面的人介绍了各自的特点和实力，那我可能会改投给别人。

（3）所有人将投票信息放入到统计箱中。

（4）最终票数最多的人是领导者。

同样的，zookeeper在选主时，也是这样的流程。假设有5个服务器

服务器1先给自身投票
后续起来的服务器2也会投自身一票，然后服务器1观察到服务器2的id比较大，则会改投服务器2
后续起来的服务器3也会投自身一票，然后服务1和服务器2发现服务器3的id比较大，则都会改投服务器3。服务器3被确定为领导者。
服务器4起来后也会投自身一票，然后发现服务器3已经有3票了，立马改投服务器3。
服务器5与服务器4的操作一样。

选主协议

在选主过程中采用的是超过半数的协议。在选主过程中，会需要如下几类消息：

投票请求：节点发出自己的投票请求。
接受投票：其余节点作出判断，如果觉得id较大，则接受投票。
选举胜出：当选主节点后，广播胜出消息。

代码实现

下面模拟3个节点的选主过程，核心步骤如下：

1、定义消息类型、消息对象、节点信息

public enum MessageType {VOTE_REQUEST, // 投票请求VOTE,         // 投票ELECTED       // 选举完成后的胜出消息
}public class ElectionMessage implements Serializable {private MessageType type;private int nodeId;   // 节点IDprivate long zxId;    // ZXID：类似于ZooKeeper中的逻辑时钟，用于比较private int voteFor;  // 投票给的节点ID
}public class ElectionNode {private int nodeId; // 当前节点IDprivate long zxId;  // 当前节点的ZXIDprivate volatile int leaderId; // 当前选举的Leader IDprivate String host;private int port;private ConcurrentHashMap<Integer, Integer> voteMap = new ConcurrentHashMap<>(); // 此节点对每个节点的投票情况private int totalNodes; // 集群总节点数
}

2、每个节点利用Netty启动Server

public void start() throws Exception {EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();try {ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel ch) {ch.pipeline().addLast(new ObjectDecoder(ClassResolvers.cacheDisabled(null)),new ObjectEncoder(),new ElectionHandler(ElectionNode.this));}});ChannelFuture future = serverBootstrap.bind(port).sync();System.out.println("Node " + nodeId + " started on port " + port);// 启动后开始选举过程startElection();
//            future.channel().closeFuture().sync();} catch (Exception e) {} finally {
//            bossGroup.shutdownGracefully();
//            workerGroup.shutdownGracefully();}}

3、启动后利用Netty发送投票请求

public void sendVoteRequest(String targetHost, int targetPort) {EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();try {Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();bootstrap.group(group).channel(NioSocketChannel.class).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel ch) {ch.pipeline().addLast(new ObjectDecoder(ClassResolvers.cacheDisabled(null)),new ObjectEncoder(),new ElectionHandler(ElectionNode.this));}});ChannelFuture future = bootstrap.connect(targetHost, targetPort).sync();ElectionMessage voteRequest = new ElectionMessage(ElectionMessage.MessageType.VOTE_REQUEST, nodeId, zxId, nodeId);future.channel().writeAndFlush(voteRequest);
//            future.channel().closeFuture().sync();} catch (Exception e) {} finally {
//            group.shutdownGracefully();}}

4、节点接受到投票请求后，做相关处理

节点在收到消息后，做相关逻辑处理：处理投票请求、处理确认投票、处理选主结果。

**处理投票请求：**判断是否是否接受投票信息。只有在主节点没确定并且zxId较大时，才发送投票消息。如果接受了投票请求的话，则更新本地的投票逻辑，然后给投票节点发送接受投票的消息

处理确认投票：如果投票消息被接受了，则更新本地的投票逻辑。

处理选主结果：如果收到了选主结果的消息，则更新本地的主节点。

public class ElectionHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {private final ElectionNode node;public ElectionHandler(ElectionNode node) {this.node = node;}@Overridepublic void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {ElectionMessage electionMessage = (ElectionMessage) msg;System.out.println("Node " + node.getNodeId() + " received: " + electionMessage);if (electionMessage.getType() == ElectionMessage.MessageType.VOTE_REQUEST) {// 判断是否是否接受投票信息。只有在主节点没确定并且zxId较大时，才发送投票消息// 如果接受了投票请求的话，则更新本地的投票逻辑，然后给投票节点发送接受投票的消息if (electionMessage.getZxId() >= node.getZxId() && node.getLeaderId() == 0) {node.receiveVote(electionMessage.getNodeId());ElectionMessage voteMessage = new ElectionMessage(ElectionMessage.MessageType.VOTE, electionMessage.getNodeId(), electionMessage.getZxId(), electionMessage.getNodeId());ctx.writeAndFlush(voteMessage);} else {// 如果已经确定主节点了，直接发送ELECTED消息sendLeaderInfo(ctx);}} else if (electionMessage.getType() == ElectionMessage.MessageType.VOTE) {// 如果投票消息被接受了，则更新本地的投票逻辑。if (electionMessage.getZxId() >= node.getZxId() && node.getLeaderId() == 0) {node.receiveVote(electionMessage.getNodeId());} else {// 如果已经确定主节点了，直接发送ELECTED消息sendLeaderInfo(ctx);}} else if (electionMessage.getType() == ElectionMessage.MessageType.ELECTED) {if (node.getLeaderId() == 0) {node.setLeaderId(electionMessage.getVoteFor());}}}

5、接受别的节点的投票

这里是比较关键的一步，当确定接受某个节点时，则更新本地的投票数，然后判断投票数是否超过半数，超过半数则确定主节点。同时，再将主节点广播出去。

此时，其余节点接收到选主确认的消息后，都会更新自己的本地的主节点信息。

public void receiveVote(int nodeId) {voteMap.merge(nodeId, 1, Integer::sum);// 比较出votes里值，取出最大的那个对应的keyint currentVotes = voteMap.values().stream().max(Integer::compareTo).get();if (currentVotes > totalNodes / 2 && leaderId == 0) {setLeaderId(nodeId);broadcastElected();}
}

6、广播选主结果

/*** 广播选举结果*/
private void broadcastElected() {for (int i = 1; i <= totalNodes; i++) {if (i != nodeId) {sendElectedMessage(host, 9000 + i);}}
}/*** 发送选举结果** @param targetHost* @param targetPort*/
public void sendElectedMessage(String targetHost, int targetPort) {EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();try {Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();bootstrap.group(group).channel(NioSocketChannel.class).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel ch) {ch.pipeline().addLast(new ObjectDecoder(ClassResolvers.cacheDisabled(null)),new ObjectEncoder(),new ElectionHandler(ElectionNode.this));}});ChannelFuture future = bootstrap.connect(targetHost, targetPort).sync();ElectionMessage electedMessage = new ElectionMessage(ElectionMessage.MessageType.ELECTED, leaderId, zxId, leaderId);future.channel().writeAndFlush(electedMessage);
//            future.channel().closeFuture().sync();} catch (Exception e) {} finally {
//            group.shutdownGracefully();}
}