Raft协议实战之Redis Sentinel的选举Leader源码解析

http://www.blogjava.net/jinfeng_wang/archive/2016/12/14/432108.html

Raft协议是用来解决分布式系统一致性问题的协议，在很长一段时间，Paxos被认为是解决分布式系统一致性的代名词。但是Paxos难于理解，更难以实现，诸如Google大牛们开发的分布式锁系统Chubby都遭遇了很多坑。Raft协议设计的初衷就是容易实现，保证对于普遍的人群都可以十分舒适容易的去理解。另外，它必须能够让人形成直观的认识，这样系统的构建者才能够在现实中进行必然的扩展。

本文从Redis Sentinel集群选择Leader的具体流程和源码分析，描述Raft协议中的选举Leader算法。关于Redis Sentinel的介绍可以参看本人的另一篇文章《redis sentinel设计与实现》。

当Sentinel集群有Sentinel发现master客观下线了，就会开始故障转移流程，故障转移流程的第一步就是在Sentinel集群选择一个Leader，让Leader完成故障转移流程。

Raft协议选举流程

描述Raft选举流程之前需要了解一些概念。

节点的状态

Raft协议描述的节点共有三种状态：Leader, Follower, Candidate。在系统运行正常的时候只有Leader和Follower两种状态的节点。一个Leader节点，其他的节点都是Follower。Candidate是系统运行不稳定时期的中间状态，当一个Follower对Leader的的心跳出现异常，就会转变成Candidate，Candidate会去竞选新的Leader，它会向其他节点发送竞选投票，如果大多数节点都投票给它，它就会替代原来的Leader，变成新的Leader，原来的Leader会降级成Follower。

term

在分布式系统中，各个节点的时间同步是一个很大的难题，但是为了识别过期时间，时间信息又必不可少。Raft协议为了解决这个问题，引入了term（任期）的概念。Raft协议将时间切分为一个个的Term，可以认为是一种“逻辑时间”。

RPC

Raft协议在选举阶段交互的RPC有两类：RequestVote和AppendEntries。

• RequestVote是用来向其他节点发送竞选投票。
• AppendEntries是当该节点得到更多的选票后，成为Leader，向其他节点确认消息。

选举流程

Raft采用心跳机制触发Leader选举。系统启动后，全部节点初始化为Follower，term为0.节点如果收到了RequestVote或者AppendEntries，就会保持自己的Follower身份。如果一段时间内没收到AppendEntries消息直到选举超时，说明在该节点的超时时间内还没发现Leader，Follower就会转换成Candidate，自己开始竞选Leader。一旦转化为Candidate，该节点立即开始下面几件事情：

• 1、增加自己的term。
• 2、启动一个新的定时器。
• 3、给自己投一票。
• 4、向所有其他节点发送RequestVote，并等待其他节点的回复。

如果在这过程中收到了其他节点发送的AppendEntries，就说明已经有Leader产生，自己就转换成Follower，选举结束。

如果在计时器超时前，节点收到多数节点的同意投票，就转换成Leader。同时向所有其他节点发送AppendEntries，告知自己成为了Leader。

每个节点在一个term内只能投一票，采取先到先得的策略，Candidate前面说到已经投给了自己，Follower会投给第一个收到RequestVote的节点。每个Follower有一个计时器，在计时器超时时仍然没有接受到来自Leader的心跳RPC, 则自己转换为Candidate, 开始请求投票，就是上面的的竞选Leader步骤。

如果多个Candidate发起投票，每个Candidate都没拿到多数的投票（Split Vote），那么就会等到计时器超时后重新成为Candidate，重复前面竞选Leader步骤。

Raft协议的定时器采取随机超时时间，这是选举Leader的关键。每个节点定时器的超时时间随机设置，随机选取配置时间的1倍到2倍之间。由于随机配置，所以各个Follower同时转成Candidate的时间一般不一样，在同一个term内，先转为Candidate的节点会先发起投票，从而获得多数票。多个节点同时转换为Candidate的可能性很小。即使几个Candidate同时发起投票，在该term内有几个节点获得一样高的票数，只是这个term无法选出Leader。由于各个节点定时器的超时时间随机生成，那么最先进入下一个term的节点，将更有机会成为Leader。连续多次发生在一个term内节点获得一样高票数在理论上几率很小，实际上可以认为完全不可能发生。一般1-2个term类，Leader就会被选出来。

Sentinel的选举流程

Sentinel集群正常运行的时候每个节点epoch相同，当需要故障转移的时候会在集群中选出Leader执行故障转移操作。Sentinel采用了Raft协议实现了Sentinel间选举Leader的算法，不过也不完全跟论文描述的步骤一致。Sentinel集群运行过程中故障转移完成，所有Sentinel又会恢复平等。Leader仅仅是故障转移操作出现的角色。

选举流程

• 1、某个Sentinel认定master客观下线的节点后，该Sentinel会先看看自己有没有投过票，如果自己已经投过票给其他Sentinel了，在2倍故障转移的超时时间自己就不会成为Leader。相当于它是一个Follower。
• 2、如果该Sentinel还没投过票，那么它就成为Candidate。
• 3、和Raft协议描述的一样，成为Candidate，Sentinel需要完成几件事情
  • 1）更新故障转移状态为start
  • 2）当前epoch加1，相当于进入一个新term，在Sentinel中epoch就是Raft协议中的term。
  • 3）更新自己的超时时间为当前时间随机加上一段时间，随机时间为1s内的随机毫秒数。
  • 4）向其他节点发送is-master-down-by-addr命令请求投票。命令会带上自己的epoch。
  • 5）给自己投一票，在Sentinel中，投票的方式是把自己master结构体里的leader和leader_epoch改成投给的Sentinel和它的epoch。
• 4、其他Sentinel会收到Candidate的is-master-down-by-addr命令。如果Sentinel当前epoch和Candidate传给他的epoch一样，说明他已经把自己master结构体里的leader和leader_epoch改成其他Candidate，相当于把票投给了其他Candidate。投过票给别的Sentinel后，在当前epoch内自己就只能成为Follower。
• 5、Candidate会不断的统计自己的票数，直到他发现认同他成为Leader的票数超过一半而且超过它配置的quorum（quorum可以参考《redis sentinel设计与实现》）。Sentinel比Raft协议增加了quorum，这样一个Sentinel能否当选Leader还取决于它配置的quorum。
• 6、如果在一个选举时间内，Candidate没有获得超过一半且超过它配置的quorum的票数，自己的这次选举就失败了。
• 7、如果在一个epoch内，没有一个Candidate获得更多的票数。那么等待超过2倍故障转移的超时时间后，Candidate增加epoch重新投票。
• 8、如果某个Candidate获得超过一半且超过它配置的quorum的票数，那么它就成为了Leader。
• 9、与Raft协议不同，Leader并不会把自己成为Leader的消息发给其他Sentinel。其他Sentinel等待Leader从slave选出master后，检测到新的master正常工作后，就会去掉客观下线的标识，从而不需要进入故障转移流程。

关于Sentinel超时时间的说明

Sentinel超时机制有几个超时概念。

• failover_start_time 下一选举启动的时间。默认是当前时间加上1s内的随机毫秒数
• failover_state_change_time 故障转移中状态变更的时间。
• failover_timeout 故障转移超时时间。默认是3分钟。
• election_timeout 选举超时时间，是默认选举超时时间和failover_timeout的最小值。默认是10s。

Follower成为Candidate后，会更新failover_start_time为当前时间加上1s内的随机毫秒数。更新failover_state_change_time为当前时间。

Candidate的当前时间减去failover_start_time大于election_timeout，说明Candidate还没获得足够的选票，此次epoch的选举已经超时，那么转变成Follower。需要等到mstime() - failover_start_time < failover_timeout*2的时候才开始下一次获得成为Candidate的机会。

如果一个Follower把某个Candidate设为自己认为的Leader，那么它的failover_start_time会设置为当前时间加上1s内的随机毫秒数。这样它就进入了上面说的需要等到mstime() - failover_start_time < failover_timeout*2的时候才开始下一次获得成为Candidate的机会。

因为每个Sentinel判断节点客观下线的时间不是同时开始的，一般都有先后，这样先开始的Sentinel就更有机会赢得更多选票，另外failover_state_change_time为1s内的随机毫秒数，这样也把各个节点的超时时间分散开来。本人尝试过很多次，Sentinel间的Leader选举过程基本上一个epoch内就完成了。

Sentinel 选举流程源码解析

Sentinel的选举流程的代码基本都在sentinel.c文件中，下面结合源码对Sentinel的选举流程进行说明。

定时任务

    /* ======================== SENTINEL timer handler ========================== * This is the "main" our Sentinel, being sentinel completely non blocking * in design. The function is called every second. * -------------------------------------------------------------------------- *//* Perform scheduled operations for the specified Redis instance. */// 对给定的实例执行定期操作void sentinelHandleRedisInstance(sentinelRedisInstance *ri) {    /* ========== MONITORING HALF ============ */    /* ==========     监控操作    =========*/    /* Every kind of instance */    /* 对所有类型实例进行处理 */    // 如果有需要的话，创建连向实例的网络连接    sentinelReconnectInstance(ri);    // 根据情况，向实例发送 PING、 INFO 或者 PUBLISH 命令    sentinelSendPeriodicCommands(ri);    /* ============== ACTING HALF ============= */    /* ==============  故障检测   ============= */    /* We don't proceed with the acting half if we are in TILT mode.     * TILT happens when we find something odd with the time, like a     * sudden change in the clock. */    // 如果 Sentinel 处于 TILT 模式，那么不执行故障检测。    if (sentinel.tilt) {        // 如果 TILI 模式未解除，那么不执行动作        if (mstime()-sentinel.tilt_start_time < SENTINEL_TILT_PERIOD) return;        // 时间已过，退出 TILT 模式        sentinel.tilt = 0;        sentinelEvent(REDIS_WARNING,"-tilt",NULL,"#tilt mode exited");    }    /* Every kind of instance */    // 检查给定实例是否进入 SDOWN 状态    sentinelCheckSubjectivelyDown(ri);    /* Masters and slaves */    if (ri->flags & (SRI_MASTER|SRI_SLAVE)) {        /* Nothing so far. */    }    /* Only masters */    /* 对主服务器进行处理 */    if (ri->flags & SRI_MASTER) {        // 判断 master 是否进入 ODOWN 状态        sentinelCheckObjectivelyDown(ri);        // 如果主服务器进入了 ODOWN 状态，那么开始一次故障转移操作        if (sentinelStartFailoverIfNeeded(ri))            // 强制向其他 Sentinel 发送 SENTINEL is-master-down-by-addr 命令            // 刷新其他 Sentinel 关于主服务器的状态            sentinelAskMasterStateToOtherSentinels(ri,SENTINEL_ASK_FORCED);        // 执行故障转移        sentinelFailoverStateMachine(ri);        // 如果有需要的话，向其他 Sentinel 发送 SENTINEL is-master-down-by-addr 命令        // 刷新其他 Sentinel 关于主服务器的状态        // 这一句是对那些没有进入 if(sentinelStartFailoverIfNeeded(ri)) { /* ... */ }        // 语句的主服务器使用的        sentinelAskMasterStateToOtherSentinels(ri,SENTINEL_NO_FLAGS);    }}

Sentinel会每隔100ms执行一次sentinelHandleRedisInstance函数。流程会检查master是否进入SDOWN状态，接着会检查master是否进入ODOWN状态，接着会查看是否需要开始故障转移，如果开始故障转移就会向其他节点拉去投票，接下来有个故障转移的状态机，根据不同的failover_state，决定完成不同的操作，正常的时候failover_state为SENTINEL_FAILOVER_STATE_NONE。

向其他Sentinel获取投票或者获取对master存活状态的判断结果

 /* Receive the SENTINEL is-master-down-by-addr reply, see the * sentinelAskMasterStateToOtherSentinels() function for more information. */// 本回调函数用于处理SENTINEL 接收到其他 SENTINEL // 发回的 SENTINEL is-master-down-by-addr 命令的回复void sentinelReceiveIsMasterDownReply(redisAsyncContext *c, void *reply, void *privdata) {    sentinelRedisInstance *ri = c->data;    redisReply *r;    if (ri) ri->pending_commands--;    if (!reply || !ri) return;    r = reply;    /* Ignore every error or unexpected reply.     * 忽略错误回复     * Note that if the command returns an error for any reason we'll     * end clearing the SRI_MASTER_DOWN flag for timeout anyway. */    if (r->type == REDIS_REPLY_ARRAY && r->elements == 3 &&        r->element[0]->type == REDIS_REPLY_INTEGER &&        r->element[1]->type == REDIS_REPLY_STRING &&        r->element[2]->type == REDIS_REPLY_INTEGER)    {        // 更新最后一次回复询问的时间        ri->last_master_down_reply_time = mstime();        // 设置 SENTINEL 认为主服务器的状态        if (r->element[0]->integer == 1) {            // 已下线            ri->flags |= SRI_MASTER_DOWN;        } else {            // 未下线            ri->flags &= ~SRI_MASTER_DOWN;        }        // 如果运行 ID 不是 "*" 的话，那么这是一个带投票的回复        if (strcmp(r->element[1]->str,"*")) {            /* If the runid in the reply is not "*" the Sentinel actually             * replied with a vote. */            sdsfree(ri->leader);            // 打印日志            if (ri->leader_epoch != r->element[2]->integer)                redisLog(REDIS_WARNING,                    "%s voted for %s %llu", ri->name,                    r->element[1]->str,                    (unsigned long long) r->element[2]->integer);            // 设置实例的领头            ri->leader = sdsnew(r->element[1]->str);            ri->leader_epoch = r->element[2]->integer;        }    }}

对于每个节点，Sentinel都会确认节点是否SDOWN，对于master，还需要确认ODOWN。sentinelAskMasterStateToOtherSentinels方法会在master进入SDOWN或者ODOWN调用sentinel is-master-down-by-addr命令，SDOWN时，该命令用来获取其他Sentinel对于master的存活状态，ODOWN是用来像其他节点投票的。SDOWN时，flags是SENTINEL_NO_FLAGS，ODOWN时，flags是SENTINEL_ASK_FORCED。

检查是否开始故障转移

 /* This function checks if there are the conditions to start the failover, * that is: * * 这个函数检查是否需要开始一次故障转移操作： * * 1) Master must be in ODOWN condition. *    主服务器已经计入 ODOWN 状态。 * 2) No failover already in progress. *    当前没有针对同一主服务器的故障转移操作在执行。 * 3) No failover already attempted recently. *    最近时间内，这个主服务器没有尝试过执行故障转移 *    （应该是为了防止频繁执行）。 *  * We still don't know if we'll win the election so it is possible that we * start the failover but that we'll not be able to act. * * 虽然 Sentinel 可以发起一次故障转移，但因为故障转移操作是由领头 Sentinel 执行的， * 所以发起故障转移的 Sentinel 不一定就是执行故障转移的 Sentinel 。 * * Return non-zero if a failover was started.  * * 如果故障转移操作成功开始，那么函数返回非 0 值。 */int sentinelStartFailoverIfNeeded(sentinelRedisInstance *master) {    /* We can't failover if the master is not in O_DOWN state. */    if (!(master->flags & SRI_O_DOWN)) return 0;    /* Failover already in progress? */    if (master->flags & SRI_FAILOVER_IN_PROGRESS) return 0;    /* Last failover attempt started too little time ago? */    if (mstime() - master->failover_start_time <        master->failover_timeout*2)    {        if (master->failover_delay_logged != master->failover_start_time) {            time_t clock = (master->failover_start_time +                            master->failover_timeout*2) / 1000;            char ctimebuf[26];            ctime_r(&clock,ctimebuf);            ctimebuf[24] = '\0'; /* Remove newline. */            master->failover_delay_logged = master->failover_start_time;            redisLog(REDIS_WARNING,                "Next failover delay: I will not start a failover before %s",                ctimebuf);        }        return 0;    }    // 开始一次故障转移    sentinelStartFailover(master);    return 1;}

sentinelStartFailoverIfNeeded方法会检查master是否为ODOWN状态。因为定时任务每次就会执行到该函数，所以还要确认故障转移状态SRI_FAILOVER_IN_PROGRESS是否已经开始。然后会看定时任务是否超时，只有以上条件都满足才能开始故障转移。关于定时任务是否超时，failover_start_time默认为0，它有2个地方会被修改，一个是开始故障转移后，一个是收到其他Sentinel的投票请求。failover_start_time被修改的值为 mstime()+rand()%SENTINEL_MAX_DESYNC，这就是Raft协议说的随机因子。SENTINEL_MAX_DESYNC是1000，相当于failover_start_time是当前时间加上1s内的随机值，这个保证了，不同Sentinel在超时后，下次申请Leader时间的随机。所以故障转移开始，像Raft协议描述的“启动一个新的定时器”，设置了failover_start_time。在投票的时候设置failover_start_time，那么先投票，再通过ODOWN和SRI_FAILOVER_IN_PROGRESS的节点，在检查定时任务是否超时的时候就无法通过，相当于是Raft协议中的Follower，它不会参与竞争Leader。

成为Candidate，开始竞选Leader

/* Setup the master state to start a failover. */// 设置主服务器的状态，开始一次故障转移void sentinelStartFailover(sentinelRedisInstance *master) {    redisAssert(master->flags & SRI_MASTER);    // 更新故障转移状态    master->failover_state = SENTINEL_FAILOVER_STATE_WAIT_START;    // 更新主服务器状态    master->flags |= SRI_FAILOVER_IN_PROGRESS;    // 更新纪元    master->failover_epoch = ++sentinel.current_epoch;    sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+new-epoch",master,"%llu",        (unsigned long long) sentinel.current_epoch);    sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+try-failover",master,"%@");    // 记录故障转移状态的变更时间    master->failover_start_time = mstime()+rand()%SENTINEL_MAX_DESYNC;    master->failover_state_change_time = mstime();}

如果Sentinel通过三重检查，进入了sentinelStartFailover，相当于成为了Candidate，它会做以下几件事情：

• 1、把failover_state改成SENTINEL_FAILOVER_STATE_WAIT_START。
• 2、把master的状态改成故障转移中SRI_FAILOVER_IN_PROGRESS。
• 3、增加master的current_epoch，并赋值给failover_epoch。
• 4、把failover_start_time改成mstime()+rand()%SENTINEL_MAX_DESYNC。
• 5、把failover_state_change_time改成mstime()。

sentinelStartFailover完成了成为Candidate的前面两步，接着要回到前面的定时任务sentinelHandleRedisInstance。因为sentinelStartFailoverIfNeeded返回了1，所以进入if流程，执行sentinelAskMasterStateToOtherSentinels(ri,SENTINEL_ASK_FORCED);，开始向其他Sentinel拉票。然后就进入sentinelFailoverStateMachine。

Follower投票

这里先来看下投票的源码。

/* =============================== FAILOVER ================================= *//* Vote for the sentinel with 'req_runid' or return the old vote if already * voted for the specifed 'req_epoch' or one greater. * * 为运行 ID 为 req_runid 的 Sentinel 投上一票，有两种额外情况可能出现： * 1) 如果 Sentinel 在 req_epoch 纪元已经投过票了，那么返回之前投的票。 * 2) 如果 Sentinel 已经为大于 req_epoch 的纪元投过票了，那么返回更大纪元的投票。 * * If a vote is not available returns NULL, otherwise return the Sentinel * runid and populate the leader_epoch with the epoch of the vote.  * * 如果投票暂时不可用，那么返回 NULL 。 * 否则返回 Sentinel 的运行 ID ，并将被投票的纪元保存到 leader_epoch 指针的值里面。 */char *sentinelVoteLeader(sentinelRedisInstance *master, uint64_t req_epoch, char *req_runid, uint64_t *leader_epoch) {    if (req_epoch > sentinel.current_epoch) {        sentinel.current_epoch = req_epoch;        sentinelFlushConfig();        sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+new-epoch",master,"%llu",            (unsigned long long) sentinel.current_epoch);    }    if (master->leader_epoch < req_epoch && sentinel.current_epoch <= req_epoch)    {        sdsfree(master->leader);        master->leader = sdsnew(req_runid);        master->leader_epoch = sentinel.current_epoch;        sentinelFlushConfig();        sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+vote-for-leader",master,"%s %llu",            master->leader, (unsigned long long) master->leader_epoch);        /* If we did not voted for ourselves, set the master failover start         * time to now, in order to force a delay before we can start a         * failover for the same master. */        if (strcasecmp(master->leader,server.runid))            master->failover_start_time = mstime()+rand()%SENTINEL_MAX_DESYNC;    }    *leader_epoch = master->leader_epoch;    return master->leader ? sdsnew(master->leader) : NULL;}

前面说到Candidate开始竞选后，会把当前epoch加1，这样就比Follower大1，Follower收到第一个Candidate的投票后，因为自己当前的epoch比Candidate小，所以把当前的epoch改成第一个Candidate的epoch，然后把自己认为的Leader设置成该Candidate。然后其他Candidate再发起对该Follower的投票时，由于这些Candidate的epoch与自己选出Leader的epoch一样，所以不会再改变自己认为的Leader。这样，在一个epoch内，Follower就只能投出一票，给它第一个收到投票请求的Candidate。最后有个if (strcasecmp(master->leader,server.runid))，这个是为了设置failover_start_time，这样Follower在当前epoch内，就无法成为Candidate了。

Sentinel执行任务的状态机

// 执行故障转移void sentinelFailoverStateMachine(sentinelRedisInstance *ri) {    redisAssert(ri->flags & SRI_MASTER);    // master 未进入故障转移状态，直接返回    if (!(ri->flags & SRI_FAILOVER_IN_PROGRESS)) return;    switch(ri->failover_state) {        // 等待故障转移开始        case SENTINEL_FAILOVER_STATE_WAIT_START:            sentinelFailoverWaitStart(ri);            break;        // 选择新主服务器        case SENTINEL_FAILOVER_STATE_SELECT_SLAVE:            sentinelFailoverSelectSlave(ri);            break;                // 升级被选中的从服务器为新主服务器        case SENTINEL_FAILOVER_STATE_SEND_SLAVEOF_NOONE:            sentinelFailoverSendSlaveOfNoOne(ri);            break;        // 等待升级生效，如果升级超时，那么重新选择新主服务器        // 具体情况请看 sentinelRefreshInstanceInfo 函数        case SENTINEL_FAILOVER_STATE_WAIT_PROMOTION:            sentinelFailoverWaitPromotion(ri);            break;        // 向从服务器发送 SLAVEOF 命令，让它们同步新主服务器        case SENTINEL_FAILOVER_STATE_RECONF_SLAVES:            sentinelFailoverReconfNextSlave(ri);            break;    }}

Sentinel处理故障转移流程是采用状态处理的模式，不同状态处理不同任务，任务完成后更新状态到下一个状态。sentinelFailoverStateMachine函数根据failover_state决定进入什么流程。在sentinelFailoverWaitStart函数里面，Leader就被选出了，其他几个状态是Leader进行故障转移的流程。

确认自己是否成为Leader

// 准备执行故障转移void sentinelFailoverWaitStart(sentinelRedisInstance *ri) {    char *leader;    int isleader;    /* Check if we are the leader for the failover epoch. */    // 获取给定纪元的领头 Sentinel    leader = sentinelGetLeader(ri, ri->failover_epoch);    // 本 Sentinel 是否为领头 Sentinel ？    isleader = leader && strcasecmp(leader,server.runid) == 0;    sdsfree(leader);    /* If I'm not the leader, and it is not a forced failover via     * SENTINEL FAILOVER, then I can't continue with the failover. */    // 如果本 Sentinel 不是领头，并且这次故障迁移不是一次强制故障迁移操作    // 那么本 Sentinel 不做动作    if (!isleader && !(ri->flags & SRI_FORCE_FAILOVER)) {        int election_timeout = SENTINEL_ELECTION_TIMEOUT;        /* The election timeout is the MIN between SENTINEL_ELECTION_TIMEOUT         * and the configured failover timeout. */        // 当选的时长（类似于任期）是 SENTINEL_ELECTION_TIMEOUT        // 和 Sentinel 设置的故障迁移时长之间的较小那个值        if (election_timeout > ri->failover_timeout)            election_timeout = ri->failover_timeout;        /* Abort the failover if I'm not the leader after some time. */        // Sentinel 的当选时间已过，取消故障转移计划        if (mstime() - ri->failover_start_time > election_timeout) {            sentinelEvent(REDIS_WARNING,"-failover-abort-not-elected",ri,"%@");            // 取消故障转移            sentinelAbortFailover(ri);        }        return;    }    // 本 Sentinel 作为领头，开始执行故障迁移操作...    sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+elected-leader",ri,"%@");    // 进入选择从服务器状态    ri->failover_state = SENTINEL_FAILOVER_STATE_SELECT_SLAVE;    ri->failover_state_change_time = mstime();    sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+failover-state-select-slave",ri,"%@");}

前面说到的sentinelStartFailover把failover_state设置成SENTINEL_FAILOVER_STATE_WAIT_START，于是进入sentinelFailoverWaitStart。

sentinelFailoverWaitStart会先查看leader是否已经选出。如果Leader是自己或者这是一次强制故障转移，failover_state就设置为SENTINEL_FAILOVER_STATE_SELECT_SLAVE。强制故障转移是通过Sentinel的SENTINEL FAILOVER <master-name>命令设置的，这里不做讨论。

如果自己当选Leader，就会进入下一个任务处理状态，开始故障转移流程。如果在election_timeout内还没当选为Leader，那么本次epoch内，Candidate就没有当选，需要等待failover_timeout超时，进入下一次竞选，或者本次epoch内，有Leader被选出，自己变会Follower。

统计投票

/* Scan all the Sentinels attached to this master to check if there * is a leader for the specified epoch. * * 扫描所有监视 master 的 Sentinels ，查看是否有 Sentinels 是这个纪元的领头。 * * To be a leader for a given epoch, we should have the majorify of * the Sentinels we know that reported the same instance as * leader for the same epoch.  * * 要让一个 Sentinel 成为本纪元的领头， * 这个 Sentinel 必须让大多数其他 Sentinel 承认它是该纪元的领头才行。 */// 选举出 master 在指定 epoch 上的领头char *sentinelGetLeader(sentinelRedisInstance *master, uint64_t epoch) {    dict *counters;    dictIterator *di;    dictEntry *de;    unsigned int voters = 0, voters_quorum;    char *myvote;    char *winner = NULL;    uint64_t leader_epoch;    uint64_t max_votes = 0;    redisAssert(master->flags & (SRI_O_DOWN|SRI_FAILOVER_IN_PROGRESS));    // 统计器    counters = dictCreate(&leaderVotesDictType,NULL);    /* Count other sentinels votes */    // 统计其他 sentinel 的主观 leader 投票    di = dictGetIterator(master->sentinels);    while((de = dictNext(di)) != NULL) {        sentinelRedisInstance *ri = dictGetVal(de);        // 为目标 Sentinel 选出的领头 Sentinel 增加一票        if (ri->leader != NULL && ri->leader_epoch == sentinel.current_epoch)            sentinelLeaderIncr(counters,ri->leader);        // 统计投票数量        voters++;    }    dictReleaseIterator(di);    /* Check what's the winner. For the winner to win, it needs two conditions:     *     * 选出领头 leader ，它必须满足以下两个条件：     *     * 1) Absolute majority between voters (50% + 1).     *    有多于一般的 Sentinel 支持     * 2) And anyway at least master->quorum votes.      *    投票数至少要有 master->quorum 那么多     */    di = dictGetIterator(counters);    while((de = dictNext(di)) != NULL) {        // 取出票数        uint64_t votes = dictGetUnsignedIntegerVal(de);        // 选出票数最大的人        if (votes > max_votes) {            max_votes = votes;            winner = dictGetKey(de);        }    }    dictReleaseIterator(di);    /* Count this Sentinel vote:     * if this Sentinel did not voted yet, either vote for the most     * common voted sentinel, or for itself if no vote exists at all. */    // 本 Sentinel 进行投票    // 如果 Sentinel 之前还没有进行投票，那么有两种选择：    // 1）如果选出了 winner （最多票数支持的 Sentinel ），那么这个 Sentinel 也投 winner 一票    // 2）如果没有选出 winner ，那么 Sentinel 投自己一票    if (winner)        myvote = sentinelVoteLeader(master,epoch,winner,&leader_epoch);    else        myvote = sentinelVoteLeader(master,epoch,server.runid,&leader_epoch);    // 领头 Sentinel 已选出，并且领头的纪元和给定的纪元一样    if (myvote && leader_epoch == epoch) {        // 为领头 Sentinel 增加一票（这一票来自本 Sentinel ）        uint64_t votes = sentinelLeaderIncr(counters,myvote);        // 如果投票之后的票数比最大票数要大，那么更换领头 Sentinel        if (votes > max_votes) {            max_votes = votes;            winner = myvote;        }    }    voters++; /* Anyway, count me as one of the voters. */    // 如果支持领头的投票数量不超过半数    // 并且支持票数不超过 master 配置指定的投票数量    // 那么这次领头选举无效    voters_quorum = voters/2+1;    if (winner && (max_votes < voters_quorum || max_votes < master->quorum))        winner = NULL;    // 返回领头 Sentinel ，或者 NULL    winner = winner ? sdsnew(winner) : NULL;    sdsfree(myvote);    dictRelease(counters);    return winner;}

sentinelGetLeader会统计所有其他Sentinel的投票结果，如果投票结果中有个Sentinel获得了超过半数且超过master的quorum，那么Leader就被选出了。

Candidate第一次进入sentinelGetLeader函数的时候是还没向其他Sentinel发起投票，winner为NULL，于是就会给自己投上一票，这就是前面Raft协议说到的，在开始竞选前“3、给自己投一票“，这样竞选前的4个步骤就全部完成了。以后再进入sentinelGetLeader就可以统计其他Sentinel的投票数目。当发现有个Sentinel的投票数据超过半数且超过quorum，就会返回该Sentinel，sentinelFailoverWaitStart会判断该Sentinel是否是自己，如果是自己，那么自己就成为了Leader，开始进行故障转移，不是自己，那么等待竞选超时，成为Follower。

关于Leader通知其他Sentinel自己成为Leader的说明

在Sentinel的实现里面。关于Leader发送竞选成功的消息给其他Sentinel，并没有专门的逻辑。某个Sentinel成为Leader后，他就默默的干起活。故障转移中Leader通过获取选出的slave的INFO信息，发现其确认了master身份，Leader就会修改config_epoch为最新的epoch。

/* Process the INFO output from masters. */// 从主服务器或者从服务器所返回的 INFO 命令的回复中分析相关信息// （上面的英文注释错了，这个函数不仅处理主服务器的 INFO 回复，还处理从服务器的 INFO 回复）void sentinelRefreshInstanceInfo(sentinelRedisInstance *ri, const char *info) {    sds *lines;    int numlines, j;    int role = 0;    /* The following fields must be reset to a given value in the case they     * are not found at all in the INFO output. */    // 将该变量重置为 0 ，避免 INFO 回复中无该值的情况    ri->master_link_down_time = 0;    /* Process line by line. */    // 对 INFO 命令的回复进行逐行分析    lines = sdssplitlen(info,strlen(info),"\r\n",2,&numlines);    for (j = 0; j < numlines; j++) {        sentinelRedisInstance *slave;        sds l = lines[j];        /* run_id:<40 hex chars>*/        // 读取并分析 runid        if (sdslen(l) >= 47 && !memcmp(l,"run_id:",7)) {            // 新设置 runid            if (ri->runid == NULL) {                ri->runid = sdsnewlen(l+7,40);            } else {                // RUNID 不同，说明服务器已重启                if (strncmp(ri->runid,l+7,40) != 0) {                    sentinelEvent(REDIS_NOTICE,"+reboot",ri,"%@");                    // 释放旧 ID ，设置新 ID                    sdsfree(ri->runid);                    ri->runid = sdsnewlen(l+7,40);                }            }        }        // 读取从服务器的 ip 和端口号        /* old versions: slave0:<ip>,<port>,<state>         * new versions: slave0:ip=127.0.0.1,port=9999,... */        if ((ri->flags & SRI_MASTER) &&            sdslen(l) >= 7 &&            !memcmp(l,"slave",5) && isdigit(l[5]))        {            char *ip, *port, *end;            if (strstr(l,"ip=") == NULL) {                /* Old format. */                ip = strchr(l,':'); if (!ip) continue;                ip++; /* Now ip points to start of ip address. */                port = strchr(ip,','); if (!port) continue;                *port = '\0'; /* nul term for easy access. */                port++; /* Now port points to start of port number. */                end = strchr(port,','); if (!end) continue;                *end = '\0'; /* nul term for easy access. */            } else {                /* New format. */                ip = strstr(l,"ip="); if (!ip) continue;                ip += 3; /* Now ip points to start of ip address. */                port = strstr(l,"port="); if (!port) continue;                port += 5; /* Now port points to start of port number. */                /* Nul term both fields for easy access. */                end = strchr(ip,','); if (end) *end = '\0';                end = strchr(port,','); if (end) *end = '\0';            }            /* Check if we already have this slave into our table,             * otherwise add it. */            // 如果发现有新的从服务器出现，那么为它添加实例            if (sentinelRedisInstanceLookupSlave(ri,ip,atoi(port)) == NULL) {                if ((slave = createSentinelRedisInstance(NULL,SRI_SLAVE,ip,                            atoi(port), ri->quorum, ri)) != NULL)                {                    sentinelEvent(REDIS_NOTICE,"+slave",slave,"%@");                }            }        }        /* master_link_down_since_seconds:<seconds> */        // 读取主从服务器的断线时长        // 这个只会在实例是从服务器，并且主从连接断开的情况下出现        if (sdslen(l) >= 32 &&            !memcmp(l,"master_link_down_since_seconds",30))        {            ri->master_link_down_time = strtoll(l+31,NULL,10)*1000;        }        /* role:<role> */        // 读取实例的角色        if (!memcmp(l,"role:master",11)) role = SRI_MASTER;        else if (!memcmp(l,"role:slave",10)) role = SRI_SLAVE;        // 处理从服务器        if (role == SRI_SLAVE) {            /* master_host:<host> */            // 读入主服务器的 IP            if (sdslen(l) >= 12 && !memcmp(l,"master_host:",12)) {                if (ri->slave_master_host == NULL ||                    strcasecmp(l+12,ri->slave_master_host))                {                    sdsfree(ri->slave_master_host);                    ri->slave_master_host = sdsnew(l+12);                    ri->slave_conf_change_time = mstime();                }            }            /* master_port:<port> */            // 读入主服务器的端口号            if (sdslen(l) >= 12 && !memcmp(l,"master_port:",12)) {                int slave_master_port = atoi(l+12);                if (ri->slave_master_port != slave_master_port) {                    ri->slave_master_port = slave_master_port;                    ri->slave_conf_change_time = mstime();                }            }                        /* master_link_status:<status> */            // 读入主服务器的状态            if (sdslen(l) >= 19 && !memcmp(l,"master_link_status:",19)) {                ri->slave_master_link_status =                    (strcasecmp(l+19,"up") == 0) ?                    SENTINEL_MASTER_LINK_STATUS_UP :                    SENTINEL_MASTER_LINK_STATUS_DOWN;            }            /* slave_priority:<priority> */            // 读入从服务器的优先级            if (sdslen(l) >= 15 && !memcmp(l,"slave_priority:",15))                ri->slave_priority = atoi(l+15);            /* slave_repl_offset:<offset> */            // 读入从服务器的复制偏移量            if (sdslen(l) >= 18 && !memcmp(l,"slave_repl_offset:",18))                ri->slave_repl_offset = strtoull(l+18,NULL,10);        }    }    // 更新刷新 INFO 命令回复的时间    ri->info_refresh = mstime();    sdsfreesplitres(lines,numlines);    /* ---------------------------- Acting half -----------------------------     * Some things will not happen if sentinel.tilt is true, but some will     * still be processed.      *     * 如果 sentinel 进入了 TILT 模式，那么可能只有一部分动作会被执行     */    /* Remember when the role changed. */    if (role != ri->role_reported) {        ri->role_reported_time = mstime();        ri->role_reported = role;        if (role == SRI_SLAVE) ri->slave_conf_change_time = mstime();        /* Log the event with +role-change if the new role is coherent or         * with -role-change if there is a mismatch with the current config. */        sentinelEvent(REDIS_VERBOSE,            ((ri->flags & (SRI_MASTER|SRI_SLAVE)) == role) ?            "+role-change" : "-role-change",            ri, "%@ new reported role is %s",            role == SRI_MASTER ? "master" : "slave",            ri->flags & SRI_MASTER ? "master" : "slave");    }    /* None of the following conditions are processed when in tilt mode, so     * return asap. */    // 如果 Sentinel 正处于 TILT 模式，那么它不能执行以下的语句。    if (sentinel.tilt) return;    /* Handle master -> slave role switch. */    // 实例被 Sentinel 标识为主服务器，但根据 INFO 命令的回复    // 这个实例的身份为从服务器    if ((ri->flags & SRI_MASTER) && role == SRI_SLAVE) {        /* Nothing to do, but masters claiming to be slaves are         * considered to be unreachable by Sentinel, so eventually         * a failover will be triggered. */        // 如果一个主服务器变为从服务器，那么 Sentinel 将这个主服务器看作是不可用的    }    /* Handle slave -> master role switch. */    // 处理从服务器转变为主服务器的情况    if ((ri->flags & SRI_SLAVE) && role == SRI_MASTER) {        /* If this is a promoted slave we can change state to the         * failover state machine. */        // 如果这是被选中升级为新主服务器的从服务器        // 那么更新相关的故障转移属性        if ((ri->master->flags & SRI_FAILOVER_IN_PROGRESS) &&            (ri->master->failover_state ==                SENTINEL_FAILOVER_STATE_WAIT_PROMOTION))        {            /* Now that we are sure the slave was reconfigured as a master             * set the master configuration epoch to the epoch we won the             * election to perform this failover. This will force the other             * Sentinels to update their config (assuming there is not             * a newer one already available). */            // 这是一个被 Sentinel 发送 SLAVEOF no one 之后由从服务器变为主服务器的实例            // 将这个新主服务器的配置纪元设置为 Sentinel 赢得领头选举的纪元            // 这一操作会强制其他 Sentinel 更新它们自己的配置            // （假设没有一个更新的纪元存在的话）            // 更新从服务器的主服务器（已下线）的配置纪元            ri->master->config_epoch = ri->master->failover_epoch;            // 设置从服务器的主服务器（已下线）的故障转移状态            // 这个状态会让从服务器开始同步新的主服务器            ri->master->failover_state = SENTINEL_FAILOVER_STATE_RECONF_SLAVES;            // 更新从服务器的主服务器（已下线）的故障转移状态变更时间            ri->master->failover_state_change_time = mstime();            // 将当前 Sentinel 状态保存到配置文件里面            sentinelFlushConfig();            // 发送事件            sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+promoted-slave",ri,"%@");            sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+failover-state-reconf-slaves",                ri->master,"%@");            // 执行脚本            sentinelCallClientReconfScript(ri->master,SENTINEL_LEADER,                "start",ri->master->addr,ri->addr);        // 这个实例由从服务器变为了主服务器，并且没有进入 TILT 模式        // （可能是因为重启造成的，或者之前的下线主服务器重新上线了）        } else {            /* A slave turned into a master. We want to force our view and             * reconfigure as slave. Wait some time after the change before             * going forward, to receive new configs if any. */            // 如果一个从服务器变为了主服务器，那么我们会考虑将它变回一个从服务器            // 将 PUBLISH 命令的发送时间乘以 4 ，给于一定缓冲时间            mstime_t wait_time = SENTINEL_PUBLISH_PERIOD*4;            // 如果这个实例的主服务器运作正常            // 并且实例在一段时间内没有进入过 SDOWN 状态或者 ODOWN 状态            // 并且实例报告它是主服务器的时间已经超过 wait_time            if (sentinelMasterLooksSane(ri->master) &&               sentinelRedisInstanceNoDownFor(ri,wait_time) &&               mstime() - ri->role_reported_time > wait_time)            {                // 重新将实例设置为从服务器                int retval = sentinelSendSlaveOf(ri,                        ri->master->addr->ip,                        ri->master->addr->port);                                // 发送事件                if (retval == REDIS_OK)                    sentinelEvent(REDIS_NOTICE,"+convert-to-slave",ri,"%@");            }        }    }    /* Handle slaves replicating to a different master address. */    // 让从服务器重新复制回正确的主服务器    if ((ri->flags & SRI_SLAVE) &&        role == SRI_SLAVE &&        // 从服务器现在的主服务器地址和 Sentinel 保存的信息不一致        (ri->slave_master_port != ri->master->addr->port ||         strcasecmp(ri->slave_master_host,ri->master->addr->ip)))    {        mstime_t wait_time = ri->master->failover_timeout;        /* Make sure the master is sane before reconfiguring this instance         * into a slave. */        // 1) 检查实例的主服务器状态是否正常        // 2) 检查实例在给定时间内是否进入过 SDOWN 或者 ODOWN 状态        // 3) 检查实例身份变更的时长是否已经超过了指定时长        // 如果是的话，执行代码。。。        if (sentinelMasterLooksSane(ri->master) &&            sentinelRedisInstanceNoDownFor(ri,wait_time) &&            mstime() - ri->slave_conf_change_time > wait_time)        {            // 重新将实例指向原本的主服务器            int retval = sentinelSendSlaveOf(ri,                    ri->master->addr->ip,                    ri->master->addr->port);            if (retval == REDIS_OK)                sentinelEvent(REDIS_NOTICE,"+fix-slave-config",ri,"%@");        }    }    /* Detect if the slave that is in the process of being reconfigured     * changed state. */    // Sentinel 监视的实例为从服务器，并且已经向它发送 SLAVEOF 命令    if ((ri->flags & SRI_SLAVE) && role == SRI_SLAVE &&        (ri->flags & (SRI_RECONF_SENT|SRI_RECONF_INPROG)))    {        /* SRI_RECONF_SENT -> SRI_RECONF_INPROG. */        // 将 SENT 状态改为 INPROG 状态，表示同步正在进行        if ((ri->flags & SRI_RECONF_SENT) &&            ri->slave_master_host &&            strcmp(ri->slave_master_host,                    ri->master->promoted_slave->addr->ip) == 0 &&            ri->slave_master_port == ri->master->promoted_slave->addr->port)        {            ri->flags &= ~SRI_RECONF_SENT;            ri->flags |= SRI_RECONF_INPROG;            sentinelEvent(REDIS_NOTICE,"+slave-reconf-inprog",ri,"%@");        }        /* SRI_RECONF_INPROG -> SRI_RECONF_DONE */        // 将 INPROG 状态改为 DONE 状态，表示同步已完成        if ((ri->flags & SRI_RECONF_INPROG) &&            ri->slave_master_link_status == SENTINEL_MASTER_LINK_STATUS_UP)        {            ri->flags &= ~SRI_RECONF_INPROG;            ri->flags |= SRI_RECONF_DONE;            sentinelEvent(REDIS_NOTICE,"+slave-reconf-done",ri,"%@");        }    }}

config_epoch会通过hello频道发送给其他Sentinel。其他Sentinel发现config_epoch更新了，就会更新最新的master地址和config_epoch。这相当于Leader把当选消息告知了其他Sentinel。

/* Process an hello message received via Pub/Sub in master or slave instance, * or sent directly to this sentinel via the (fake) PUBLISH command of Sentinel. * * 处理从 Pub/Sub 连接得来的，来自主服务器或者从服务器的 hello 消息。 * hello 消息也可能是另一个 Sentinel 通过 PUBLISH 命令发送过来的。 * * If the master name specified in the message is not known, the message is * discareded.  * * 如果消息里面指定的主服务器的名字是未知的，那么这条消息将被丢弃。 */void sentinelProcessHelloMessage(char *hello, int hello_len) {    /* Format is composed of 8 tokens:     * 0=ip,1=port,2=runid,3=current_epoch,4=master_name,     * 5=master_ip,6=master_port,7=master_config_epoch. */    int numtokens, port, removed, master_port;    uint64_t current_epoch, master_config_epoch;    char **token = sdssplitlen(hello, hello_len, ",", 1, &numtokens);    sentinelRedisInstance *si, *master;    if (numtokens == 8) {        /* Obtain a reference to the master this hello message is about */        // 获取主服务器的名字，并丢弃和未知主服务器相关的消息。        master = sentinelGetMasterByName(token[4]);        if (!master) goto cleanup; /* Unknown master, skip the message. */        /* First, try to see if we already have this sentinel. */        // 看这个 Sentinel 是否已经认识发送消息的 Sentinel        port = atoi(token[1]);        master_port = atoi(token[6]);        si = getSentinelRedisInstanceByAddrAndRunID(                        master->sentinels,token[0],port,token[2]);        current_epoch = strtoull(token[3],NULL,10);        master_config_epoch = strtoull(token[7],NULL,10);        if (!si) {            // 这个 Sentinel 不认识发送消息的 Sentinel             // 将对方加入到 Sentinel 列表中            /* If not, remove all the sentinels that have the same runid             * OR the same ip/port, because it's either a restart or a             * network topology change. */            removed = removeMatchingSentinelsFromMaster(master,token[0],port,                            token[2]);            if (removed) {                sentinelEvent(REDIS_NOTICE,"-dup-sentinel",master,                    "%@ #duplicate of %s:%d or %s",                    token[0],port,token[2]);            }            /* Add the new sentinel. */            si = createSentinelRedisInstance(NULL,SRI_SENTINEL,                            token[0],port,master->quorum,master);            if (si) {                sentinelEvent(REDIS_NOTICE,"+sentinel",si,"%@");                /* The runid is NULL after a new instance creation and                 * for Sentinels we don't have a later chance to fill it,                 * so do it now. */                si->runid = sdsnew(token[2]);                sentinelFlushConfig();            }        }        /* Update local current_epoch if received current_epoch is greater.*/        // 如果消息中记录的纪元比 Sentinel 当前的纪元要高，那么更新纪元        if (current_epoch > sentinel.current_epoch) {            sentinel.current_epoch = current_epoch;            sentinelFlushConfig();            sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+new-epoch",master,"%llu",                (unsigned long long) sentinel.current_epoch);        }        /* Update master info if received configuration is newer. */        // 如果消息中记录的配置信息更新，那么对主服务器的信息进行更新        if (master->config_epoch < master_config_epoch) {            master->config_epoch = master_config_epoch;            if (master_port != master->addr->port ||                strcmp(master->addr->ip, token[5]))            {                sentinelAddr *old_addr;                sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+config-update-from",si,"%@");                sentinelEvent(REDIS_WARNING,"+switch-master",                    master,"%s %s %d %s %d",                    master->name,                    master->addr->ip, master->addr->port,                    token[5], master_port);                old_addr = dupSentinelAddr(master->addr);                sentinelResetMasterAndChangeAddress(master, token[5], master_port);                sentinelCallClientReconfScript(master,                    SENTINEL_OBSERVER,"start",                    old_addr,master->addr);                releaseSentinelAddr(old_addr);            }        }        /* Update the state of the Sentinel. */        // 更新我方 Sentinel 记录的对方 Sentinel 的信息。        if (si) si->last_hello_time = mstime();    }cleanup:    sdsfreesplitres(token,numtokens);}

参考资料：

Redis 2.8.19 source code

http://redis.io/topics/sentinel

《In Search of an Understandable Consensus Algorithm》 Diego Ongaro and John Ousterhout Stanford University

《Redis设计与实现》黄健宏 机械工业出版社