一个分布式服务集群管理通常需要一个协调服务，提供服务注册、服务发现、配置管理、组服务等功能，而协调服务自身应是一个高可用的服务集群，ZooKeeper是广泛应用且众所周知的协调服务。协调服务自身的高可用需要选举算法来支撑，本文将讲述选举原理并以分布式服务集群NebulaBootstrap的协调服务NebulaBeacon为例详细说明协调服务的选举实现。

??为什么要选NebulaBeacon来说明协调服务的选举实现？一方面是我没有读过Zookeeper的代码，更重要的另一方面是NebulaBeacon的选举实现只有两百多行代码，简单精炼，很容易讲清楚。基于高性能C++网络框架Nebula实现的分布式服务集群NebulaBootstrap是一种用C++快速构建高性能分布式服务的解决方案。

??为什么要实现自己的协调服务而不直接用Zookeeper？想造个C++的轮子，整个集群都是C++服务，因为选了ZooKeeper而需要部署一套Java环境，配置也跟其他服务不是一个体系，实在不是一个好的选择。Spring Cloud有Eureka，NebulaBootstrap有NebulaBeacon，未来NebulaBootstrap会支持ZooKeeper，不过暂无时间表，还是首推NebulaBeacon。

1. 选举算法选择

??Paxos算法 和 ZooKeeper ZAB协议 是两种较广为人知的选举算法。ZAB协议主要用于构建一个高可用的分布式数据主备系统，例如ZooKeeper，而Paxos算法则是用于构建一个分布式的一致性状态机系统。也有很多应用程序采用自己设计的简单的选举算法，这类型简单的选举算法通常依赖计算机自身因素作为选举因子，比如IP地址、CPU核数、内存大小、自定义序列号等。

??Paxos规定了四种角色（Proposer，Acceptor，Learner，以及Client）和两个阶段（Promise和Accept）。 ??ZAB服务具有四种状态：LOOKING、FOLLOWING、LEADING、OBSERVING。 ??NebulaBeacon是高可用分布式系统的协调服务，采用ZAP协议更为合适，不过ZAP协议还是稍显复杂了，NebulaBeacon的选举算法实现基于节点的IP地址标识，选举速度快，实现十分简单。

2. 选举相关数据结构

??NebulaBeacon的选举相关数据结构非常简单：

const uint32 SessionOnlineNodes::mc_uiLeader = 0x80000000; ///< uint32最高位为1表示leader const uint32 SessionOnlineNodes::mc_uiAlive = 0x00000007; ///< 最近三次心跳任意一次成功则认为在线 std::map<std::string, uint32> m_mapBeacon; ///< Key为节点标识，值为在线心跳及是否为leader标识 

??如上数据结构m_mapBeacon保存了Beacon集群各Beacon节点信息，以Beacon节点的IP地址标识为key排序，每次遍历均从头开始，满足条件（1&&2 或者 1&&3）则标识为Leader：1. 节点在线；2. 已经成为Leader； 3. 整个列表中不存在在线的Leader，而节点处于在线节点列表的首位。

3. Beacon选举流程

??Beacon选举基于节点IP地址标识，实现非常简单且高效。

"beacon":["192.168.1.11:16000", "192.168.1.12:16000"] 

??进程启动时首先检查Beacon集群配置，若未配置其他Beacon节点信息，则默认只有一个Beacon节点，此时该节点在启动时自动成为Leader节点。否则，向其他Beacon节点发送一个心跳消息，等待定时器回调检查并选举出Leader节点。选举流程如下图：

??检查是否在线就是通过检查两次定时器回调之间是否收到了其他Beacon节点的心跳消息。对m_mapBeacon的遍历检查判断节点在线情况，对已离线的Leader节点置为离线状态，若当前节点应成为Leader节点则成为Leader节点。

4. Beacon节点间选举通信

??Beacon节点间的选举通信与节点心跳合为一体，这样做的好处是当leader节点不可用时，fllower节点立刻可以成为leader节点，选举过程只需每个fllower节点遍历自己内存中各Beacon节点的心跳信息即可，无须在发现leader不在线才发起选举，更快和更好地保障集群的高可用性。

??Beacon节点心跳信息带上了leader节点作为协调服务产生的新数据，fllower节点在接收心跳的同时完成了数据同步，保障任意一个fllower成为leader时已获得集群所有需协调的信息并可随时切换为leader。除定时器触发的心跳带上协调服务产生的新数据之外，leader节点产生新数据的同时会立刻向fllower发送心跳。

5. Beacon选举实现

??Beacon心跳协议proto：

/** * @brief BEACON节点间心跳 */ message Election { int32 is_leader = 1; ///< 是否主节点 uint32 last_node_id = 2; ///< 上一个生成的节点ID repeated uint32 added_node_id = 3; ///< 新增已使用的节点ID repeated uint32 removed_node_id = 4; ///< 删除已废弃的节点ID } 

??检查Beacon配置，若只有一个Beacon节点则自动成为Leader：

void SessionOnlineNodes::InitElection(const neb::CJsonObject& oBeacon) { neb::CJsonObject oBeaconList = oBeacon; for (int i = 0; i < oBeaconList.GetArraySize(); ++i) { m_mapBeacon.insert(std::make_pair(oBeaconList(i) + ".1", 0)); } if (m_mapBeacon.size() == 0) { m_bIsLeader = true; } else if (m_mapBeacon.size() == 1 && GetNodeIdentify() == m_mapBeacon.begin()->first) { m_bIsLeader = true; } else { SendBeaconBeat(); } } 

??发送Beacon心跳：

void SessionOnlineNodes::SendBeaconBeat() { LOG4_TRACE(""); MsgBody oMsgBody; Election oElection; if (m_bIsLeader) { oElection.set_is_leader(1); oElection