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java 实现简易基于Dledger 的选举

1. 定义 Dledger 节点类，包含节点的状态、日志存储、选举和日志复制逻辑

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;// Dledger 节点类，包含节点的状态、日志存储、选举和日志复制逻辑
class DledgerNode {// 选举超时时间的最小值（毫秒）private static final int ELECTION_TIMEOUT_MIN = 150;// 选举超时时间的最大值（毫秒）private static final int ELECTION_TIMEOUT_MAX = 300;// 心跳间隔时间（毫秒）private static final int HEARTBEAT_INTERVAL = 50;// 当前节点所处的任期号private long currentTerm;// 当前节点投票给的节点 ID，-1 表示未投票private int votedFor;// 存储日志条目的列表private List<LogEntry> log;// 节点的状态，0 表示追随者，1 表示候选人，2 表示领导者private int state;// 当前节点的 IDprivate int selfId;// 集群中其他节点的 ID 列表private List<Integer> peers;// 用于定时任务的调度器private ScheduledExecutorService scheduler;// 选举超时时间（毫秒）private long electionTimeout;// 候选人收到的投票数private int votesReceived;// 构造函数，用于初始化节点的相关信息public DledgerNode(int selfId, List<Integer> peers) {// 初始任期号为 0this.currentTerm = 0;// 初始未投票this.votedFor = -1;// 初始化日志列表this.log = new ArrayList<>();// 初始状态为追随者this.state = 0;// 设置当前节点的 IDthis.selfId = selfId;// 设置集群中其他节点的 ID 列表this.peers = peers;// 创建一个单线程的调度器this.scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);// 重置选举超时时间resetElectionTimeout();}// 重置选举超时时间的方法private void resetElectionTimeout() {// 创建一个随机数生成器Random random = new Random();// 生成一个介于 ELECTION_TIMEOUT_MIN 和 ELECTION_TIMEOUT_MAX 之间的随机数作为选举超时时间this.electionTimeout = random.nextInt(ELECTION_TIMEOUT_MAX - ELECTION_TIMEOUT_MIN + 1) + ELECTION_TIMEOUT_MIN;// 调度一个定时任务，在选举超时时间后启动选举scheduler.schedule(this::startElection, electionTimeout, TimeUnit.MILLISECONDS);}// 启动选举的方法private void startElection() {// 将节点状态设置为候选人state = 1;// 任期号加 1currentTerm++;// 投票给自己votedFor = selfId;// 初始收到的投票数为 1（自己的一票）votesReceived = 1;// 创建一个投票请求对象VoteRequest request = new VoteRequest(currentTerm, selfId, getLastLogIndex(), getLastLogTerm());// 向集群中的每个节点发送投票请求for (int peer : peers) {sendVoteRequest(peer, request);}}// 发送投票请求的方法private void sendVoteRequest(int peer, VoteRequest request) {// 模拟网络通信，实际中需要使用网络库// 调用 handleVoteRequest 方法处理投票请求并获取响应VoteResponse response = handleVoteRequest(peer, request);// 处理投票响应handleVoteResponse(response);}// 处理投票请求的方法private VoteResponse handleVoteRequest(int peer, VoteRequest request) {// 如果请求的任期号小于当前节点的任期号，拒绝投票if (request.term < currentTerm) {return new VoteResponse(currentTerm, false);}// 如果请求的任期号大于当前节点的任期号，更新当前节点的任期号，将状态设置为追随者，重置投票信息if (request.term > currentTerm) {currentTerm = request.term;state = 0;votedFor = -1;}// 如果当前节点未投票或者已经投票给该候选人，并且候选人的日志至少和自己一样新，则授予投票if ((votedFor == -1 || votedFor == request.candidateId) &&(request.lastLogTerm > getLastLogTerm() ||(request.lastLogTerm == getLastLogTerm() && request.lastLogIndex >= getLastLogIndex()))) {votedFor = request.candidateId;// 重置选举超时时间resetElectionTimeout();return new VoteResponse(currentTerm, true);}// 否则拒绝投票return new VoteResponse(currentTerm, false);}// 处理投票响应的方法private void handleVoteResponse(VoteResponse response) {// 如果响应的任期号大于当前节点的任期号，更新当前节点的任期号，将状态设置为追随者，重置投票信息if (response.term > currentTerm) {currentTerm = response.term;state = 0;votedFor = -1;// 重置选举超时时间resetElectionTimeout();}// 如果当前节点是候选人，并且收到了投票，则增加投票数if (state == 1 && response.voteGranted) {votesReceived++;// 如果收到的投票数超过集群节点数的一半，则当选为领导者if (votesReceived > peers.size() / 2) {state = 2;System.out.println("Node " + selfId + " has been elected as the leader in term " + currentTerm);// 开始发送心跳startSendingHeartbeats();}}}// 开始发送心跳的方法private void startSendingHeartbeats() {// 调度一个定时任务，每隔 HEARTBEAT_INTERVAL 毫秒发送一次心跳scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> {// 创建一个追加日志请求对象，entries 为空表示这是一个心跳请求AppendEntriesRequest request = new AppendEntriesRequest(currentTerm, selfId, getLastLogIndex(), getLastLogTerm(), new LogEntry[0], getCommitIndex());// 向集群中的每个节点发送追加日志请求for (int peer : peers) {sendAppendEntriesRequest(peer, request);}}, 0, HEARTBEAT_INTERVAL, TimeUnit.MILLISECONDS);}// 发送追加日志请求的方法private void sendAppendEntriesRequest(int peer, AppendEntriesRequest request) {// 模拟网络通信，实际中需要使用网络库// 调用 handleAppendEntriesRequest 方法处理追加日志请求并获取响应AppendEntriesResponse response = handleAppendEntriesRequest(peer, request);// 处理追加日志响应handleAppendEntriesResponse(response);}// 处理追加日志请求的方法private AppendEntriesResponse handleAppendEntriesRequest(int peer, AppendEntriesRequest request) {// 如果请求的任期号小于当前节点的任期号，拒绝请求if (request.term < currentTerm) {return new AppendEntriesResponse(currentTerm, false);}// 如果请求的任期号大于当前节点的任期号，更新当前节点的任期号，将状态设置为追随者，重置投票信息if (request.term > currentTerm) {currentTerm = request.term;state = 0;votedFor = -1;}// 重置选举超时时间resetElectionTimeout();// 简单处理日志追加逻辑// 如果前一条日志的索引超出了日志列表的范围，或者前一条日志的任期号不匹配，则拒绝请求if (request.prevLogIndex >= 0 && (request.prevLogIndex >= log.size() || log.get((int) request.prevLogIndex).term != request.prevLogTerm)) {return new AppendEntriesResponse(currentTerm, false);}// 遍历要追加的日志条目for (LogEntry entry : request.entries) {// 如果要追加的日志位置已经存在日志，则替换该位置的日志if (request.prevLogIndex + 1 + log.indexOf(entry) < log.size()) {log.set((int) (request.prevLogIndex + 1 + log.indexOf(entry)), entry);} else {// 否则将日志追加到日志列表的末尾log.add(entry);}}// 如果领导者的提交索引大于当前节点的提交索引，更新当前节点的提交索引if (request.leaderCommit > getCommitIndex()) {// 更新提交索引}// 返回追加成功的响应return new AppendEntriesResponse(currentTerm, true);}// 处理追加日志响应的方法private void handleAppendEntriesResponse(AppendEntriesResponse response) {// 如果响应的任期号大于当前节点的任期号，更新当前节点的任期号，将状态设置为追随者，重置投票信息if (response.term > currentTerm) {currentTerm = response.term;state = 0;votedFor = -1;// 重置选举超时时间resetElectionTimeout();}}// 获取最后一条日志索引的方法private long getLastLogIndex() {return log.size() - 1;}// 获取最后一条日志任期号的方法private long getLastLogTerm() {// 如果日志列表为空，返回 0if (log.isEmpty()) {return 0;}// 否则返回最后一条日志的任期号return log.get(log.size() - 1).term;}// 获取提交索引的方法，这里简单返回最后一条日志的索引private long getCommitIndex() {return getLastLogIndex();}@Overridepublic String toString() {return "DledgerNode{" +"currentTerm=" + currentTerm +", votedFor=" + votedFor +", log=" + log +", state=" + state +", selfId=" + selfId +", peers=" + peers +", scheduler=" + scheduler +", electionTimeout=" + electionTimeout +", votesReceived=" + votesReceived +'}';}
}

2. 定义日志条目类

// 日志条目类，用于存储日志的任期号和具体数据
class LogEntry {// 该日志条目的任期号，用于标识日志的先后顺序long term;// 日志条目的具体数据内容String data;// 构造函数，用于初始化日志条目的任期号和数据public LogEntry(long term, String data) {this.term = term;this.data = data;}
}// 投票请求类，用于在选举过程中向其他节点请求投票
class VoteRequest {// 候选人当前所处的任期号long term;// 候选人的节点 IDint candidateId;// 候选人最后一条日志的索引long lastLogIndex;// 候选人最后一条日志的任期号long lastLogTerm;// 构造函数，用于初始化投票请求的相关信息public VoteRequest(long term, int candidateId, long lastLogIndex, long lastLogTerm) {this.term = term;this.candidateId = candidateId;this.lastLogIndex = lastLogIndex;this.lastLogTerm = lastLogTerm;}
}// 投票响应类，用于对投票请求进行回应
class VoteResponse {// 当前节点的任期号long term;// 是否授予投票的标志，true 表示授予，false 表示拒绝boolean voteGranted;// 构造函数，用于初始化投票响应的相关信息public VoteResponse(long term, boolean voteGranted) {this.term = term;this.voteGranted = voteGranted;}
}// 追加日志请求类，用于领导者向追随者发送日志追加请求
class AppendEntriesRequest {// 领导者当前所处的任期号long term;// 领导者的节点 IDint leaderId;// 要追加日志的前一条日志的索引long prevLogIndex;// 要追加日志的前一条日志的任期号long prevLogTerm;// 要追加的日志条目数组LogEntry[] entries;// 领导者当前的提交索引long leaderCommit;// 构造函数，用于初始化追加日志请求的相关信息public AppendEntriesRequest(long term, int leaderId, long prevLogIndex, long prevLogTerm, LogEntry[] entries, long leaderCommit) {this.term = term;this.leaderId = leaderId;this.prevLogIndex = prevLogIndex;this.prevLogTerm = prevLogTerm;this.entries = entries;this.leaderCommit = leaderCommit;}
}// 追加日志响应类，用于追随者对追加日志请求进行回应
class AppendEntriesResponse {// 当前节点的任期号long term;// 日志追加是否成功的标志，true 表示成功，false 表示失败boolean success;// 构造函数，用于初始化追加日志响应的相关信息public AppendEntriesResponse(long term, boolean success) {this.term = term;this.success = success;}
}

3. Dledger 的测试用例

import java.util.Arrays;
import java.util.List;public class DledgerTest {public static void main(String[] args) {// 定义集群中节点的 ID 列表List<Integer> peers = Arrays.asList(1, 2, 3);// 创建节点 1DledgerNode node1 = new DledgerNode(1, peers);
//        System.out.println(node1);// 创建节点 2DledgerNode node2 = new DledgerNode(2, peers);
//        System.out.println(node2);// 创建节点 3DledgerNode node3 = new DledgerNode(3, peers);
//        System.out.println(node3);try {// 让主线程休眠 5 秒，以便观察节点的选举和日志复制过程Thread.sleep(5000);} catch (InterruptedException e) {// 处理线程中断异常e.printStackTrace();}}
}