Raft共识算法详解（C++语言从零实现指南）

Raft 的三种角色

• Follower（跟随者）：被动接收来自 Leader 或 Candidate 的请求。
• Candidate（候选人）：参与 Leader 选举。
• Leader（领导者）：处理客户端请求，并将日志复制到 Follower。

核心概念

在实现前，我们需要理解几个关键术语：

• Term（任期）：Raft 将时间划分为一个个任期，每个任期最多有一个 Leader。
• Log（日志）：每个节点维护一个日志序列，包含客户端命令和对应的 Term。
• Commit Index（提交索引）：已被大多数节点复制的日志条目索引。

C++ 实现步骤概览

我们将构建一个简化的 Raft 节点类，包含以下功能：

1. 角色状态管理（Follower / Candidate / Leader）
2. 定时器驱动选举超时
3. 处理 AppendEntries（心跳/日志复制）
4. 处理 RequestVote（投票请求）

第一步：定义 Raft 节点结构

首先，我们用 C++ 定义 Raft 节点的基本成员变量：

enum State {    FOLLOWER,    CANDIDATE,    LEADER};struct LogEntry {    int term;    std::string command;    LogEntry(int t, const std::string& cmd) : term(t), command(cmd) {}};class RaftNode {private:    int id_;                    // 节点 ID    int currentTerm_;           // 当前任期    int votedFor_;              // 本任期投票给谁（-1 表示未投票）    std::vector<LogEntry> log_; // 日志    State state_;               // 当前状态    int commitIndex_;           // 已提交的日志索引    int lastApplied_;           // 已应用的日志索引    // 定时器相关    std::chrono::steady_clock::time_point electionTimeout_;    std::random_device rd_;    std::mt19937 gen_;public:    RaftNode(int id);    void run(); // 主循环    void becomeFollower(int term);    void becomeCandidate();    void becomeLeader();    // 其他方法...};  

第二步：实现选举机制

当 Follower 在一段时间内未收到 Leader 心跳，就会变成 Candidate 并发起选举：

void RaftNode::becomeCandidate() {    currentTerm_++;    votedFor_ = id_;    int votes = 1; // 自己投自己    // 向其他节点发送 RequestVote 请求（此处简化为伪代码）    for (int peer : peers_) {        if (sendRequestVote(peer, currentTerm_, log_.size() - 1, log_.back().term)) {            votes++;        }    }    if (votes > peers_.size() / 2) {        becomeLeader();    } else {        becomeFollower(currentTerm_);    }}  

第三步：Leader 发送心跳

成为 Leader 后，需定期向 Follower 发送 AppendEntries（即使没有新日志，也作为心跳）：

void RaftNode::sendHeartbeat() {    for (int peer : peers_) {        // 发送空 AppendEntries        sendAppendEntries(peer, currentTerm_, log_.size() - 1,                           (log_.empty() ? -1 : log_.back().term));    }}  

第四步：主循环与定时器

每个节点运行一个主循环，检查是否超时并触发相应行为：

void RaftNode::run() {    while (true) {        switch (state_) {            case FOLLOWER:                if (std::chrono::steady_clock::now() > electionTimeout_) {                    becomeCandidate();                }                break;            case CANDIDATE:                // 选举逻辑已在 becomeCandidate 中处理                break;            case LEADER:                sendHeartbeat();                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));                break;        }        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));    }}  

完整项目建议

以上是核心逻辑的简化版。实际项目中还需处理：

• 网络通信（如使用 TCP/UDP 或 gRPC）
• 持久化日志和状态（防止重启丢失）
• 日志一致性检查（prevLogIndex 和 prevLogTerm）
• 安全性规则（如不能提交旧任期的日志）

总结

通过本文，你已经掌握了使用 C++实现 Raft 算法 的基本思路。Raft 作为现代分布式系统的基石，其设计清晰、易于工程化。无论你是学习 分布式一致性 还是准备面试，理解 Raft 都大有裨益。希望这篇教程能帮助你迈出实现 共识算法 的第一步！

关键词：Raft算法、C++实现、分布式一致性、共识算法