Java 中的领导者选举模式：掌握节点协调和一致性

约 4 分钟

也称为

协调员选举
主选举

领导者选举设计模式的意图

领导者选举设计模式对于使系统能够从一组节点中选举出领导者至关重要，确保领导者始终得到认可，能够协调任务，而其他节点则保持跟随者身份。这种模式在分布式系统中至关重要，特别是在实现容错性和高可用性方面。

领导者选举模式的详细说明，包括实际例子

现实世界的例子

领导者选举模式的一个现实世界的类比是体育比赛中选举队长。所有队员（节点）都参与选举过程，遵循一组商定的规则（协议）。一旦选出队长（领导者），他们就负责协调策略、指挥行动，并在讨论中代表团队。如果队长受伤或无法参加比赛，团队会进行新的选举或任命副队长（故障转移机制），以确保领导力和方向始终保持一致。

通俗地说

领导者选举模式是一种设计方法，使分布式系统能够选择一个节点作为协调者或领导者来管理任务并保持秩序，而其他节点则作为跟随者运行。

维基百科说

在分布式计算中，领导者选举是将单个进程指定为分布在多台计算机（节点）上的某些任务的组织者的过程。在任务开始之前，所有网络节点要么不知道哪个节点将充当任务的“领导者”（或协调者），要么无法与当前协调者通信。但是，在领导者选举算法运行后，整个网络中的每个节点都会识别出一个特定的、唯一的节点作为任务领导者。

Java 中领导者选举模式的编程示例

领导者选举模式是一种设计方法，使分布式系统能够选择一个节点作为协调者或领导者来管理任务并保持秩序，而其他节点则作为跟随者运行。这种模式在分布式系统中特别有用，在分布式系统中，需要一个节点充当特定功能或决策过程的中心协调者。

在提供的代码中，我们有一个 AbstractMessageManager 类和 AbstractInstance 类。AbstractMessageManager 类负责管理实例之间的消息，并根据某些条件找到下一个实例（潜在领导者）。AbstractInstance 类代表分布式系统中的一个节点。

让我们分解代码并解释它的工作原理

public abstract class AbstractMessageManager implements MessageManager {

  protected Map<Integer, Instance> instanceMap;

  public AbstractMessageManager(Map<Integer, Instance> instanceMap) {
    this.instanceMap = instanceMap;
  }

  protected Instance findNextInstance(int currentId) {
    // Implementation details...
  }

}

AbstractMessageManager 类管理系统中的实例。它包含一个实例映射，其中键是实例 ID，值是实例本身。findNextInstance 方法用于查找下一个具有最小 ID 且处于活动状态的实例。此方法可以在领导者选举过程中使用，以确定当前领导者失效后下一个领导者。

public abstract class AbstractInstance implements Instance {

  protected int id;
  protected boolean alive;
  protected MessageManager messageManager;

  public AbstractInstance(MessageManager messageManager, int id) {
    this.messageManager = messageManager;
    this.id = id;
    this.alive = true;
  }

  public boolean isAlive() {
    return alive;
  }

  public void setAlive(boolean alive) {
    this.alive = alive;
  }

  public void onMessage(Message message) {
    // Implementation details...
  }

}

AbstractInstance 类代表分布式系统中的一个节点。每个实例都可以检查它是否处于活动状态，设置其健康状态，以及从其他实例中使用消息。

现在，让我们看看 BullyApp 和 RingApp 类，它们实现了两种不同的领导者选举算法

public class BullyApp {

  public static void main(String[] args) {

    Map<Integer, Instance> instanceMap = new HashMap<>();
    var messageManager = new BullyMessageManager(instanceMap);

    var instance1 = new BullyInstance(messageManager, 1, 1);
    // ... more instances ...

    instanceMap.put(1, instance1);
    // ... more instances ...

    instance1.setAlive(false);
  }
}

BullyApp 类实现了用于领导者选举的 Bully 算法。在此算法中，当一个节点注意到领导者已失效时，它会通过向所有具有更高 ID 的节点发送选举消息来启动选举。如果它没有收到响应，它会宣布自己为领导者，并向所有具有较低 ID 的节点发送获胜消息。

public class RingApp {

  public static void main(String[] args) {

    Map<Integer, Instance> instanceMap = new HashMap<>();
    var messageManager = new RingMessageManager(instanceMap);

    var instance1 = new RingInstance(messageManager, 1, 1);
    // ... more instances ...

    instanceMap.put(1, instance1);
    // ... more instances ...

    instance1.setAlive(false);
  }
}