Redis 源碼分析之 cluster meet

Redis cluster 是 redis 官方提出的分佈式集羣解決方案，在此之前，有一些第三方的可選方案，如 codis、Twemproxy等。cluster 內部使用了 gossip 協議進行通信，以達到數據的最終一致性。詳細介紹可參考官網 Redis cluster tutorial。
本文試圖藉着cluster meet 命令的實現來對其中的一些通信細節一探究竟。
我們都知道，當 redis server 以 cluster mode 啓動時，節點 A 想加入節點 B 所在的集羣，只需要執行 CLUSTER MEET ip port 這個命令即可，通過 gossip 通信，最終 B 所在集羣的其他節點也都會認識到 A。大概流程圖如下：

cluster 初始化

當 redis server 以 cluster mode 啓動時，即配置文件中的 cluster-enabled 選項設置爲 true，此時在服務啓動時，會有一個 cluster 初始化的流程，這個在之前的文章《Redis 啓動流程》中有提到過，即執行函數 clusterInit。在 cluster 中有三個數據結構很重要， clusterState 、 clusterNode 和 clusterLink。
每個節點都保存着一個 clusterState 結構，這個結構記錄了在當前節點的視角下，集羣目前所處的狀態，即“我看到的世界是什麼樣子”。
每個節點都會使用一個 clusterNode 結構來記錄自己的狀態，併爲集羣中的所有其他節點（包括主節點和從節點）都創建一個相應的 clusterNode 結構，以此來記錄其他節點的狀態。
clusterNode 結構的 link 屬性是一個 clusterLink 結構，該結構保存了連接節點所需的有關信息，比如套接字描述符，輸入緩衝區和輸出緩衝區。
更多的細節可以通過網頁《redis 設計與實現 - 節點》進行了解。
該初始化很簡單，首先是創建一個 clusterState 結構，並初始化一些成員，如下：

server.cluster = zmalloc(sizeof(clusterState));
server.cluster->myself = NULL;
server.cluster->currentEpoch = 0;     // 新節點的 currentEpoch = 0
server.cluster->state = CLUSTER_FAIL; // 初始狀態置爲 FAIL
server.cluster->size = 1;
server.cluster->todo_before_sleep = 0;
server.cluster->nodes = dictCreate(&clusterNodesDictType,NULL);
server.cluster->nodes_black_list = dictCreate(&clusterNodesBlackListDictType,NULL);
server.cluster->failover_auth_time = 0;
server.cluster->failover_auth_count = 0;
server.cluster->failover_auth_rank = 0;
server.cluster->failover_auth_epoch = 0;
server.cluster->cant_failover_reason = CLUSTER_CANT_FAILOVER_NONE;
server.cluster->lastVoteEpoch = 0;
server.cluster->stats_bus_messages_sent = 0;
server.cluster->stats_bus_messages_received = 0;
memset(server.cluster->slots,0, sizeof(server.cluster->slots));
clusterCloseAllSlots(); // Clear the migrating/importing state for all the slots

然後給 node.conf 文件加鎖，確保每個節點使用自己的 cluster 配置文件。

if (clusterLockConfig(server.cluster_configfile) == C_ERR)
    exit(1);

藉着這個機會學習下 redis 如何使用的文件鎖。

int fd = open(filename,O_WRONLY|O_CREAT,0644);
if (fd == -1) {
    serverLog(LL_WARNING,
              "Can't open %s in order to acquire a lock: %s",
              filename, strerror(errno));
    return C_ERR;
}

if (flock(fd,LOCK_EX|LOCK_NB) == -1) {
    if (errno == EWOULDBLOCK) {
        serverLog(LL_WARNING,
                  "Sorry, the cluster configuration file %s is already used "
                  "by a different Redis Cluster node. Please make sure that "
                  "different nodes use different cluster configuration "
                  "files.", filename);
    } else {
        serverLog(LL_WARNING,
                  "Impossible to lock %s: %s", filename, strerror(errno));
    }
    close(fd);
    return C_ERR;
}

然後加載 node.conf 文件，這個過程還會檢查這個文件是否合理。

如果加載失敗（或者配置文件不存在），則以 REDIS_NODE_MYSELF|REDIS_NODE_MASTER 爲標記，創建一個clusterNode 結構表示自己本身，置爲主節點，並設置自己的名字爲一個40字節的隨機串；然後將該節點添加到server.cluster->nodes中，這說明這是個新啓動的節點，生成的配置文件進行刷盤。

if (clusterLoadConfig(server.cluster_configfile) == C_ERR) {
    myself = server.cluster->myself =
        createClusterNode(NULL,CLUSTER_NODE_MYSELF|CLUSTER_NODE_MASTER);
    serverLog(LL_NOTICE,"No cluster configuration found, I'm %.40s",
              myself->name);
    clusterAddNode(myself);
    saveconf = 1;
}
if (saveconf) clusterSaveConfigOrDie(1); // 新節點，將配置刷到配置文件中，fsync

接下來，調用 listenToPort 函數，在集羣 gossip 通信端口上創建 socket fd 進行監聽。集羣內 gossip 通信端口是在 Redis 監聽端口基礎上加 10000，比如如果Redis監聽客戶端的端口爲 6379，則集羣監聽端口就是16379，該監聽端口用於接收其他集羣節點發送過來的 gossip 消息。

然後註冊監聽端口上的可讀事件，事件回調函數爲 clusterAcceptHandler。

#define CLUSTER_PORT_INCR 10000

if (listenToPort(server.port+CLUSTER_PORT_INCR,
                 server.cfd,&server.cfd_count) == C_ERR)
{
    exit(1);
} else {
    int j;
    for (j = 0; j < server.cfd_count; j++) {
        if (aeCreateFileEvent(server.el, server.cfd[j], AE_READABLE, 
                              clusterAcceptHandler, NULL) == AE_ERR)
            serverPanic("Unrecoverable error creating Redis Cluster "
                        "file event.");
    }
}

當前節點收到其他集羣節點發來的TCP建鏈請求之後，就會調用 clusterAcceptHandler 函數 accept 連接。在 clusterAcceptHandler函數中，對於每個已經 accept 的鏈接，都會創建一個clusterLink 結構表示該鏈接，並註冊 socket fd上的可讀事件，事件回調函數爲 clusterReadHandler。

#define MAX_CLUSTER_ACCEPTS_PER_CALL 1000
void clusterAcceptHandler(aeEventLoop *el, int fd, void *privdata, int mask) {
    int cport, cfd;
    int max = MAX_CLUSTER_ACCEPTS_PER_CALL;
    char cip[NET_IP_STR_LEN];
    clusterLink *link;
    ... ...
    // 如果服務器正在啓動，不要接受其他節點的連接, 因爲 UPDATE 消息可能會干擾數據庫內容
    if (server.masterhost == NULL && server.loading) return;
    while(max--) {
        cfd = anetTcpAccept(server.neterr, fd, cip, sizeof(cip), &cport);
        if (cfd == ANET_ERR) {
            if (errno != EWOULDBLOCK)
                serverLog(LL_VERBOSE,
                    "Error accepting cluster node: %s", server.neterr);
            return;
        }
        anetNonBlock(NULL,cfd);
        anetEnableTcpNoDelay(NULL,cfd);
        ... ...
        // 創建一個 link 結構來處理連接
        // 剛開始的時候， link->node 被設置成 null，因爲現在我們不知道是哪個節點
        link = createClusterLink(NULL);
        link->fd = cfd;
        aeCreateFileEvent(server.el,cfd,AE_READABLE,clusterReadHandler,link);
    }
}

最後是 reset mf 相關的參數。

CLUSTER MEET

A 節點接收 CLUSTER MEET 命令

A 節點在cluster.c -> clusterCommand 函數中，接收到 CLUSTER MEET 命令，即

if (!strcasecmp(c->argv[1]->ptr,"meet") && c->argc == 4) {
    long long port;

    // CLUSTER MEET <ip> <port>
    if (getLongLongFromObject(c->argv[3], &port) != C_OK) {
        addReplyErrorFormat(c,"Invalid TCP port specified: %s", (char*)c->argv[3]->ptr);
        return;
    }
    if (clusterStartHandshake(c->argv[2]->ptr,port) == 0 && errno == EINVAL)
    {
        addReplyErrorFormat(c,"Invalid node address specified: %s:%s",
                            (char*)c->argv[2]->ptr, (char*)c->argv[3]->ptr);
    } else {
        addReply(c,shared.ok);
    }
}

可以看到重點在 clusterStartHandshake 這個函數。

int clusterStartHandshake(char *ip, int port) {
    clusterNode *n;
    char norm_ip[NET_IP_STR_LEN];
    struct sockaddr_storage sa;
    /* IP and Port sanity check */
    ... ...
        
    // 檢查節點(flag) norm_ip:port 是否正在握手
    if (clusterHandshakeInProgress(norm_ip,port)) { 
        errno = EAGAIN;
        return 0;
    }
    // 創建一個含隨機名字的 node，type 爲 CLUSTER_NODE_HANDSHAKE|CLUSTER_NODE_MEET
    // 相關信息會在 handshake 過程中被修復
    n = createClusterNode(NULL,CLUSTER_NODE_HANDSHAKE|CLUSTER_NODE_MEET);
    memcpy(n->ip,norm_ip,sizeof(n->ip));
    n->port = port;
    clusterAddNode(n);
    return 1;
}

clusterNode *createClusterNode(char *nodename, int flags) {
    clusterNode *node = zmalloc(sizeof(*node));
    if (nodename)
        memcpy(node->name, nodename, CLUSTER_NAMELEN);
    else
        // 在本地新建一個 nodename 節點，節點名字隨機，跟它通信時它會告訴我真實名字
        getRandomHexChars(node->name, CLUSTER_NAMELEN);
    node->ctime = mstime(); // mstime
    node->configEpoch = 0;
    node->flags = flags;
    memset(node->slots,0,sizeof(node->slots));
    node->slaveof = NULL;
    ... ...
    node->link = NULL; // link 爲空, 在 clusterCron 中能檢查的到
    memset(node->ip,0,sizeof(node->ip));
    node->port = 0;
    node->fail_reports = listCreate();
    ... ...
    listSetFreeMethod(node->fail_reports,zfree);
    return node;
}

這個函數會首先進行一些 ip 和 port 的合理性檢查，然後去遍歷所看到的 nodes，這個 ip:port 對應的 node 是不是正處於 CLUSTER_NODE_HANDSHAKE 狀態，是的話，就說明這是重複 meet，沒必要往下走。之後，通過 createClusterNode 函數創建一個帶有 CLUSTER_NODE_HANDSHAKE|CLUSTER_NODE_MEET 標記的節點，名字爲一個隨機的 40 字節字符串（因爲此時對 A 來說，B 是一個陌生的節點，信息除了 ip 和 port，其他都不知道），通過 clusterAddNode 函數加到自己的 nodes 中。
這個過程成功後，就返回給客戶端 OK 了，其他事情需要通過 gossip 通信去做。

A 節點發送 MEET gossip 消息給 B 節點

A 節點在定時任務 clusterCron 中，會做一些事情。

handshake_timeout = server.cluster_node_timeout;
if (handshake_timeout < 1000) handshake_timeout = 1000;

// 檢查是否有 disconnected nodes 並且重新建立連接
di = dictGetSafeIterator(server.cluster->nodes); // 遍歷所有節點
while((de = dictNext(di)) != NULL) {
    clusterNode *node = dictGetVal(de);
    
     // 忽略掉 myself 和 noaddr 狀態的節點
    if (node->flags & (CLUSTER_NODE_MYSELF|CLUSTER_NODE_NOADDR)) continue; 
    
    // 節點處於 handshake 狀態，且狀態維持時間超過 handshake_timeout，那麼從 nodes中刪掉它
    if (nodeInHandshake(node) && now - node->ctime > handshake_timeout) {
        clusterDelNode(node);
        continue;
    }

    // 剛剛收到 cluster meet 命令創建的新 node ，或是 server 剛啓動，或是由於某種原因斷開了
    if (node->link == NULL) { 
        int fd;
        mstime_t old_ping_sent;
        clusterLink *link;

        // 對端 gossip 通信端口爲 node 端口 + 10000，創建 tcp 連接, 本節點相當於 client
        fd = anetTcpNonBlockBindConnect(server.neterr, node->ip, node->port+CLUSTER_PORT_INCR, NET_FIRST_BIND_ADDR);
        ... ...
        link = createClusterLink(node);
        link->fd = fd;
        node->link = link;

        // 註冊 link->fd 上的可讀事件，事件回調函數爲 clusterReadHandler
        aeCreateFileEvent(server.el,link->fd,AE_READABLE, clusterReadHandler,link);
        ... ...

        // 如果 node 帶有 MEET flag，我們發送一個 MEET 包而不是 PING,
        // 這是爲了強制讓接收者把我們加到它的 nodes 中
        clusterSendPing(link, node->flags & CLUSTER_NODE_MEET ? CLUSTERMSG_TYPE_MEET : CLUSTERMSG_TYPE_PING);
        ... ...
        node->flags &= ~CLUSTER_NODE_MEET;
        ... ...
    }
}
dictReleaseIterator(di);

可以看到，遍歷自己看到的 nodes，當遍歷到 B 節點時，由於 node->link == NULL，因此會監聽 B 的啓動端口號+10000，即 gossip 通信端口，然後註冊可讀事件，處理函數爲 clusterReadHandler。接着會發送 CLUSTER_NODE_MEET 消息給 B 節點，消除掉 B 節點的 meet 狀態。

B 節點處理 A 發來的 MEET gossip 消息

當 B 節點接收到 A 節點發送 gossip 時，回調函數 clusterAcceptHandler 進行處理，然後會 accept 對端的 connect（B 作爲 server，對端作爲 client），註冊可讀事件，回調函數爲 clusterReadHandler，基本邏輯如下，

void clusterAcceptHandler(aeEventLoop *el, int fd, void *privdata, int mask) {
    int cport, cfd;
    int max = MAX_CLUSTER_ACCEPTS_PER_CALL;
    char cip[NET_IP_STR_LEN];
    clusterLink *link;
    UNUSED(el);
    UNUSED(mask);
    UNUSED(privdata);

    // 如果服務器正在啓動，不要接受其他節點的鏈接，因爲 UPDATE 消息可能會干擾數據庫內容
    if (server.masterhost == NULL && server.loading) return;
    while(max--) { // 1000 個請求
        cfd = anetTcpAccept(server.neterr, fd, cip, sizeof(cip), &cport);
        if (cfd == ANET_ERR) {
            if (errno != EWOULDBLOCK)
                serverLog(LL_VERBOSE,
                    "Error accepting cluster node: %s", server.neterr);
            return;
        }
        anetNonBlock(NULL,cfd);
        anetEnableTcpNoDelay(NULL,cfd);
        serverLog(LL_VERBOSE,"Accepted cluster node %s:%d", cip, cport);
   
        // 創建一個 link 結構來處理連接
        // 剛開始的時候， link->node 被設置成 null，因爲現在我們不知道是哪個節點
        link = createClusterLink(NULL);
        link->fd = cfd;
        aeCreateFileEvent(server.el,cfd,AE_READABLE,clusterReadHandler,link);
    }
}

可以看到每次 accept 對端connect時，都會創建一個 clusterLink 結構用來接收數據，

typedef struct clusterLink {
    mstime_t ctime;             /* Link creation time */
    int fd;                     /* TCP socket file descriptor */
    sds sndbuf;                 /* Packet send buffer */
    sds rcvbuf;                 /* Packet reception buffer */
    struct clusterNode *node;   /* Node related to this link if any, or NULL */
} clusterLink;

clusterLink 有一個指針是指向 node 自身的。
B 節點接收到 A 節點發送過來的信息，放到 clusterLink 的 rcvbuf 字段，然後使用 clusterProcessPacket 函數來處理（接收數據過程很簡單，不做分析）。
所以 clusterProcessPacket 函數的作用是處理別人發過來的 gossip 包。

if (!sender && type == CLUSTERMSG_TYPE_MEET) {
    clusterNode *node;

    // 創建一個帶有 CLUSTER_NODE_HANDSHAKE 標記的 cluster node，名字隨機
    node = createClusterNode(NULL,CLUSTER_NODE_HANDSHAKE);
    nodeIp2String(node->ip,link); // ip 和 port 信息均從 link 中獲得
    node->port = ntohs(hdr->port);

    clusterAddNode(node);
    clusterDoBeforeSleep(CLUSTER_TODO_SAVE_CONFIG);
}
.....
clusterSendPing(link,CLUSTERMSG_TYPE_PONG);

由於這時 B 節點還不認識 A 節點，因此 B 節點從自己的 nodes 中找 A 節點是找不到的，所以 sender 是空，因此會走進如上的這段邏輯。同樣以隨機的名字，CLUSTER_NODE_HANDSHAKE 爲 flag 創建一個 node，加入自己的 nodes 中。
在這個邏輯末尾會給 A 節點回復一個 PONG 消息。

A 節點處理 B 節點回復的 PONG gossip 消息

同樣是在 clusterProcessPacket 中處理 gossip 消息。

if (type == CLUSTERMSG_TYPE_PING || type == CLUSTERMSG_TYPE_PONG || type == CLUSTERMSG_TYPE_MEET) {
    ... ...
    if (link->node) {
        if (nodeInHandshake(link->node)) { // node 處於握手狀態
            ... ...
            clusterRenameNode(link->node, hdr->sender); // 修正節點名
            link->node->flags &= ~CLUSTER_NODE_HANDSHAKE; // 消除 handshake 狀態
            link->node->flags |= flags&(CLUSTER_NODE_MASTER|CLUSTER_NODE_SLAVE);
            clusterDoBeforeSleep(CLUSTER_TODO_SAVE_CONFIG);
        }
}

這個時候 A 節點會根據 B 節點發來的消息，更正 A 節點 nodes 中關於 B 節點的名字，以及消除 handshake 狀態。

B 節點發送 PING gossip 消息給 A 節點

當 B 節點在做 clusterCron 時，發現自己看到的 A 節點中的 link 爲空，即 node->link == NULL，這與上面講的 A 節點給 B 節點發 MEET 消息類似，不過在 B 節點看了 A 節點沒有 meet flag，因此發送的是 PING 消息。

A 節點處理 B 節點發來的 PING 消息

做一些邏輯，不過跟這次要討論的事情無關，後面會詳寫。

對於 PING 和 MEET 消息，無論如何都是會回覆一個 PONG 消息的。

B 節點處理 A 節點回復的 PONG 消息

邏輯同上，將 B 節點的 nodes 中 A 節點的名字進行更正，然後去掉 A 節點的 handshake flag。

小結

至此，一個 cluster meet 命令執行的完整過程就解釋清楚了，畫了一個流程圖可以幫助更好的理解這個流程。

Redis 源碼分析之 cluster meet

cluster 初始化

CLUSTER MEET

A 節點接收 CLUSTER MEET 命令

A 節點發送 MEET gossip 消息給 B 節點

B 節點處理 A 發來的 MEET gossip 消息

A 節點處理 B 節點回復的 PONG gossip 消息

B 節點發送 PING gossip 消息給 A 節點

A 節點處理 B 節點發來的 PING 消息

B 節點處理 A 節點回復的 PONG 消息

小結

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