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世代时钟（Generation Clock）

原文

https://martinfowler.com/articles/patterns-of-distributed-systems/generation.html

一个单调递增的数字，表示服务器的世代。

2020.8.20

又称：Term、Epoch 或世代（Generation）

问题

在领导者和追随者（Leader and Followers）的构建过程中，有一种可能性，领导者临时同追随者失联了。可能是因为垃圾回收造成而暂停，也可能是临时的网络中断，这些都会让领导者进程与追随者之间失联。在这种情况下，领导者进程依旧在运行，暂停之后或是网络中断停止之后，它还是会尝试发送复制请求给追随者。这么做是有危险的，因为与此同时，集群余下的部分可能已经选出了一个新的领导者，接收来自客户端的请求。有一点非常重要，集群余下的部分要能检测出有的请求是来自原有的领导者。原有的领导者本身也要能检测出，它是临时从集群中断开了，然后，采用必要的修正动作，交出领导权。

解决方案

维护一个单调递增的数字，表示服务器的世代。每次选出新的领导者，这个世代都应该递增。即便服务器重启，这个世代也应该是可用的，因此，它应该存储在预写日志（Write-Ahead Log）每一个条目里。在高水位标记（High-Water Mark）里，我们讨论过，追随者会使用这个信息找出日志中冲突的部分。

启动时，服务器要从日志中读取最后一个已知的世代。

class ReplicationModule…
  this.replicationState = new ReplicationState(config, wal.getLastLogEntryGeneration());

采用领导者和追随者（Leader and Followers）模式，选举新的领导者选举时，服务器对这个世代的值进行递增。

class ReplicationModule…
  private void startLeaderElection() {
      replicationState.setGeneration(replicationState.getGeneration() + 1);
      registerSelfVote();
      requestVoteFrom(followers);
  }

服务器会把世代当做投票请求的一部分发给其它服务器。在这种方式下，经过了成功的领导者选举之后，所有的服务器都有了相同的世代。一旦选出新的领导者，追随者就会被告知新的世代。

follower (class ReplicationModule...)
  private void becomeFollower(int leaderId, Long generation) {
      replicationState.setGeneration(generation);
      replicationState.setLeaderId(leaderId);
      transitionTo(ServerRole.FOLLOWING);
  }

自此之后，领导者会在它发给追随者的每个请求中都包含这个世代信息。它也包含在发给追随者的每个心跳（HeartBeat）消息里，也包含在复制请求中。

领导者也会把世代信息持久化到预写日志（Write-Ahead Log）的每一个条目里。

leader (class ReplicationModule...)
  Long appendToLocalLog(byte[] data) {
      var logEntryId = wal.getLastLogEntryId() + 1;
      var logEntry = new WALEntry(logEntryId, data, EntryType.DATA, replicationState.getGeneration());
      return wal.writeEntry(logEntry);
  }

按照这种做法，它还会持久化在追随者日志中，作为领导者和追随者（Leader and Followers）复制机制的一部分。

如果追随者得到了一个来自已罢免领导的消息，追随者就可以告知其世代过低。追随者会给出一个失败的应答。

follower (class ReplicationModule...)
  Long currentGeneration = replicationState.getGeneration();
  if (currentGeneration > replicationRequest.getGeneration()) {
      return new ReplicationResponse(FAILED, serverId(), currentGeneration, wal.getLastLogEntryId());
  }

当领导者得到了一个失败的应答，它就会变成追随者，期待与新的领导者建立通信。

Old leader (class ReplicationModule...)
  if (!response.isSucceeded()) {
      stepDownIfHigherGenerationResponse(response);
      return;
  }

  private void stepDownIfHigherGenerationResponse(ReplicationResponse replicationResponse) {
      if (replicationResponse.getGeneration() > replicationState.getGeneration()) {
          becomeFollower(-1, replicationResponse.getGeneration());
      }
  }

考虑一下下面这个例子。在一个服务器集群里，leader1 是既有的领导者。集群里所有服务器的世代都是 1。leader1 持续发送心跳给追随者。leader1 产生了一次长的垃圾收集暂停，比如说，5 秒。追随者没有得到心跳，超时了，然后选举出新的领导者。新的领导者将世代递增到 2。垃圾收集暂停结束之后，leader1 持续发送请求给其它服务器。追随者和新的领导者现在都是世代 2 了，拒绝了其请求，发送一个失败应答，其中的世代是 2。leader1 处理失败的应答，退下来成为一个追随者，将世代更新成 2。

世代时钟1 世代时钟2

图1：世代

示例

Raft

Raft 使用了 Term 的概念标记领导者世代。

Zab

在 Zookeeper 里，每个 epoch 数是作为每个事务 ID 的一部分进行维护的。因此，每个持久化在 Zookeeper 里的事务都有一个世代，通过 epoch 表示。

Cassandra

在 Cassandra 里，每个服务器都存储了一个世代数字，每次服务器重启时都会递增。世代信息持久化在系统的键值空间里，也作为 Gossip 消息的一部分传给其它服务器。服务器接收到 Gossip 消息之后，将它知道的世代值与 Gossip 消息的世代值进行比较。如果 Gossip 消息中世代更高，它就知道服务器重启了，然后，丢弃它维护的关于这个服务器的所有状态，请求新的状态。

Kafka 中的 Epoch

Kafka 每次为集群选出新的控制器，都会创建一个 epoch 数，将其存在 Zookeeper 里。epoch 会包含在集群里从控制器发到其它服务器的每个请求中。它还维护了另外一个 epoch，称为 LeaderEpoch，以便了解一个分区的追随者是否落后于其高水位标记（High-Water Mark）。