opendaylight/md-sal/sal-akka-raft/src/main/java/org/opendaylight/controller/cluster/raft/behaviors/AbstractRaftActorBehavior.java

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2014 Cisco Systems, Inc. and others.  All rights reserved.
   3  *
   4  * This program and the accompanying materials are made available under the
   5  * terms of the Eclipse Public License v1.0 which accompanies this distribution,
   6  * and is available at http://www.eclipse.org/legal/epl-v10.html
   7  */
   8
   9 package org.opendaylight.controller.cluster.raft.behaviors;
  10
  11 import akka.actor.ActorRef;
  12 import akka.actor.Cancellable;
  13 import com.google.common.base.Preconditions;
  14 import java.util.Random;
  15 import java.util.concurrent.TimeUnit;
  16 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.ClientRequestTracker;
  17 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.RaftActorContext;
  18 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.RaftState;
  19 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.ReplicatedLogEntry;
  20 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.base.messages.ApplyState;
  21 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.base.messages.ElectionTimeout;
  22 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.messages.AppendEntries;
  23 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.messages.AppendEntriesReply;
  24 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.messages.RequestVote;
  25 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.messages.RequestVoteReply;
  26 import org.opendaylight.controller.cluster.raft.persisted.ApplyJournalEntries;
  27 import org.slf4j.Logger;
  28 import scala.concurrent.duration.FiniteDuration;
  29
  30 /**
  31  * Abstract class that provides common code for a RaftActor behavior.
  32  */
  33 public abstract class AbstractRaftActorBehavior implements RaftActorBehavior {
  34     /**
  35      * Information about the RaftActor whose behavior this class represents.
  36      */
  37     protected final RaftActorContext context;
  38
  39     /**
  40      * Used for message logging.
  41      */
  42     protected final Logger log;
  43
  44     /**
  45      * Prepended to log messages to provide appropriate context.
  46      */
  47     private final String logName;
  48
  49     /**
  50      * The RaftState corresponding to his behavior.
  51      */
  52     private final RaftState state;
  53
  54     /**
  55      * Used to cancel a scheduled election.
  56      */
  57     private Cancellable electionCancel = null;
  58
  59     /**
  60      * The index of the last log entry that has been replicated to all raft peers.
  61      */
  62     private long replicatedToAllIndex = -1;
  63
  64     AbstractRaftActorBehavior(final RaftActorContext context, final RaftState state) {
  65         this.context = Preconditions.checkNotNull(context);
  66         this.state = Preconditions.checkNotNull(state);
  67         this.log = context.getLogger();
  68
  69         logName = String.format("%s (%s)", context.getId(), state);
  70     }
  71
  72     public static RaftActorBehavior createBehavior(final RaftActorContext context, final RaftState state) {
  73         switch (state) {
  74             case Candidate:
  75                 return new Candidate(context);
  76             case Follower:
  77                 return new Follower(context);
  78             case IsolatedLeader:
  79                 return new IsolatedLeader(context);
  80             case Leader:
  81                 return new Leader(context);
  82             case PreLeader:
  83                 return new PreLeader(context);
  84             default:
  85                 throw new IllegalArgumentException("Unhandled state " + state);
  86         }
  87     }
  88
  89     @Override
  90     public final RaftState state() {
  91         return state;
  92     }
  93
  94     protected final String logName() {
  95         return logName;
  96     }
  97
  98     @Override
  99     public void setReplicatedToAllIndex(long replicatedToAllIndex) {
 100         this.replicatedToAllIndex = replicatedToAllIndex;
 101     }
 102
 103     @Override
 104     public long getReplicatedToAllIndex() {
 105         return replicatedToAllIndex;
 106     }
 107
 108     /**
 109      * Derived classes should not directly handle AppendEntries messages it
 110      * should let the base class handle it first. Once the base class handles
 111      * the AppendEntries message and does the common actions that are applicable
 112      * in all RaftState's it will delegate the handling of the AppendEntries
 113      * message to the derived class to do more state specific handling by calling
 114      * this method
 115      *
 116      * @param sender         The actor that sent this message
 117      * @param appendEntries  The AppendEntries message
 118      * @return a new behavior if it was changed or the current behavior
 119      */
 120     protected abstract RaftActorBehavior handleAppendEntries(ActorRef sender,
 121         AppendEntries appendEntries);
 122
 123     /**
 124      * Handles the common logic for the AppendEntries message and delegates handling to the derived class.
 125      *
 126      * @param sender the ActorRef that sent the message
 127      * @param appendEntries the message
 128      * @return a new behavior if it was changed or the current behavior
 129      */
 130     protected RaftActorBehavior appendEntries(ActorRef sender, AppendEntries appendEntries) {
 131
 132         // 1. Reply false if term < currentTerm (§5.1)
 133         if (appendEntries.getTerm() < currentTerm()) {
 134             log.info("{}: Cannot append entries because sender's term {} is less than {}", logName(),
 135                     appendEntries.getTerm(), currentTerm());
 136
 137             sender.tell(new AppendEntriesReply(context.getId(), currentTerm(), false, lastIndex(), lastTerm(),
 138                     context.getPayloadVersion()), actor());
 139             return this;
 140         }
 141
 142
 143         return handleAppendEntries(sender, appendEntries);
 144     }
 145
 146     /**
 147      * Derived classes should not directly handle AppendEntriesReply messages it
 148      * should let the base class handle it first. Once the base class handles
 149      * the AppendEntriesReply message and does the common actions that are
 150      * applicable in all RaftState's it will delegate the handling of the
 151      * AppendEntriesReply message to the derived class to do more state specific
 152      * handling by calling this method
 153      *
 154      * @param sender             The actor that sent this message
 155      * @param appendEntriesReply The AppendEntriesReply message
 156      * @return a new behavior if it was changed or the current behavior
 157      */
 158     protected abstract RaftActorBehavior handleAppendEntriesReply(ActorRef sender,
 159         AppendEntriesReply appendEntriesReply);
 160
 161     /**
 162      * Handles the logic for the RequestVote message that is common for all behaviors.
 163      *
 164      * @param sender the ActorRef that sent the message
 165      * @param requestVote the message
 166      * @return a new behavior if it was changed or the current behavior
 167      */
 168     protected RaftActorBehavior requestVote(ActorRef sender, RequestVote requestVote) {
 169
 170         log.debug("{}: In requestVote:  {}", logName(), requestVote);
 171
 172         boolean grantVote = canGrantVote(requestVote);
 173
 174         if (grantVote) {
 175             context.getTermInformation().updateAndPersist(requestVote.getTerm(), requestVote.getCandidateId());
 176         }
 177
 178         RequestVoteReply reply = new RequestVoteReply(currentTerm(), grantVote);
 179
 180         log.debug("{}: requestVote returning: {}", logName(), reply);
 181
 182         sender.tell(reply, actor());
 183
 184         return this;
 185     }
 186
 187     protected boolean canGrantVote(RequestVote requestVote) {
 188         boolean grantVote = false;
 189
 190         //  Reply false if term < currentTerm (§5.1)
 191         if (requestVote.getTerm() < currentTerm()) {
 192             grantVote = false;
 193
 194             // If votedFor is null or candidateId, and candidate’s log is at
 195             // least as up-to-date as receiver’s log, grant vote (§5.2, §5.4)
 196         } else if (votedFor() == null || votedFor()
 197                 .equals(requestVote.getCandidateId())) {
 198
 199             boolean candidateLatest = false;
 200
 201             // From §5.4.1
 202             // Raft determines which of two logs is more up-to-date
 203             // by comparing the index and term of the last entries in the
 204             // logs. If the logs have last entries with different terms, then
 205             // the log with the later term is more up-to-date. If the logs
 206             // end with the same term, then whichever log is longer is
 207             // more up-to-date.
 208             if (requestVote.getLastLogTerm() > lastTerm()) {
 209                 candidateLatest = true;
 210             } else if (requestVote.getLastLogTerm() == lastTerm()
 211                     && requestVote.getLastLogIndex() >= lastIndex()) {
 212                 candidateLatest = true;
 213             }
 214
 215             if (candidateLatest) {
 216                 grantVote = true;
 217             }
 218         }
 219         return grantVote;
 220     }
 221
 222     /**
 223      * Derived classes should not directly handle RequestVoteReply messages it
 224      * should let the base class handle it first. Once the base class handles
 225      * the RequestVoteReply message and does the common actions that are
 226      * applicable in all RaftState's it will delegate the handling of the
 227      * RequestVoteReply message to the derived class to do more state specific
 228      * handling by calling this method
 229      *
 230      * @param sender           The actor that sent this message
 231      * @param requestVoteReply The RequestVoteReply message
 232      * @return a new behavior if it was changed or the current behavior
 233      */
 234     protected abstract RaftActorBehavior handleRequestVoteReply(ActorRef sender,
 235         RequestVoteReply requestVoteReply);
 236
 237     /**
 238      * Returns a duration for election with an additional variance for randomness.
 239      *
 240      * @return a random election duration
 241      */
 242     protected FiniteDuration electionDuration() {
 243         long variance = new Random().nextInt(context.getConfigParams().getElectionTimeVariance());
 244         return context.getConfigParams().getElectionTimeOutInterval().$plus(
 245                 new FiniteDuration(variance, TimeUnit.MILLISECONDS));
 246     }
 247
 248     /**
 249      * Stops the currently scheduled election.
 250      */
 251     protected void stopElection() {
 252         if (electionCancel != null && !electionCancel.isCancelled()) {
 253             electionCancel.cancel();
 254         }
 255     }
 256
 257     protected boolean canStartElection() {
 258         return context.getRaftPolicy().automaticElectionsEnabled() && context.isVotingMember();
 259     }
 260
 261     /**
 262      * Schedule a new election.
 263      *
 264      * @param interval the duration after which we should trigger a new election
 265      */
 266     protected void scheduleElection(FiniteDuration interval) {
 267         stopElection();
 268
 269         // Schedule an election. When the scheduler triggers an ElectionTimeout message is sent to itself
 270         electionCancel = context.getActorSystem().scheduler().scheduleOnce(interval, context.getActor(),
 271                 ElectionTimeout.INSTANCE, context.getActorSystem().dispatcher(), context.getActor());
 272     }
 273
 274     /**
 275      * Returns the current election term.
 276      *
 277      * @return the current term
 278      */
 279     protected long currentTerm() {
 280         return context.getTermInformation().getCurrentTerm();
 281     }
 282
 283     /**
 284      * Returns the id of the candidate that this server voted for in current term.
 285      *
 286      * @return the candidate for whom we voted in the current term
 287      */
 288     protected String votedFor() {
 289         return context.getTermInformation().getVotedFor();
 290     }
 291
 292     /**
 293      * Returns the actor associated with this behavior.
 294      *
 295      * @return the actor
 296      */
 297     protected ActorRef actor() {
 298         return context.getActor();
 299     }
 300
 301     /**
 302      * Returns the term of the last entry in the log.
 303      *
 304      * @return the term
 305      */
 306     protected long lastTerm() {
 307         return context.getReplicatedLog().lastTerm();
 308     }
 309
 310     /**
 311      * Returns the index of the last entry in the log.
 312      *
 313      * @return the index
 314      */
 315     protected long lastIndex() {
 316         return context.getReplicatedLog().lastIndex();
 317     }
 318
 319     /**
 320      * Removes and returns the ClientRequestTracker for the specified log index.
 321      * @param logIndex the log index
 322      * @return the ClientRequestTracker or null if none available
 323      */
 324     protected ClientRequestTracker removeClientRequestTracker(long logIndex) {
 325         return null;
 326     }
 327
 328     /**
 329      * Returns the actual index of the entry in replicated log for the given index or -1 if not found.
 330      *
 331      * @return the log entry index or -1 if not found
 332      */
 333     protected long getLogEntryIndex(long index) {
 334         if (index == context.getReplicatedLog().getSnapshotIndex()) {
 335             return context.getReplicatedLog().getSnapshotIndex();
 336         }
 337
 338         ReplicatedLogEntry entry = context.getReplicatedLog().get(index);
 339         if (entry != null) {
 340             return entry.getIndex();
 341         }
 342
 343         return -1;
 344     }
 345
 346     /**
 347      * Returns the actual term of the entry in replicated log for the given index or -1 if not found.
 348      *
 349      * @return the log entry term or -1 if not found
 350      */
 351     protected long getLogEntryTerm(long index) {
 352         if (index == context.getReplicatedLog().getSnapshotIndex()) {
 353             return context.getReplicatedLog().getSnapshotTerm();
 354         }
 355
 356         ReplicatedLogEntry entry = context.getReplicatedLog().get(index);
 357         if (entry != null) {
 358             return entry.getTerm();
 359         }
 360
 361         return -1;
 362     }
 363
 364     /**
 365      * Applies the log entries up to the specified index that is known to be committed to the state machine.
 366      *
 367      * @param index the log index
 368      */
 369     protected void applyLogToStateMachine(final long index) {
 370         // Now maybe we apply to the state machine
 371         for (long i = context.getLastApplied() + 1; i < index + 1; i++) {
 372
 373             ReplicatedLogEntry replicatedLogEntry = context.getReplicatedLog().get(i);
 374             if (replicatedLogEntry != null) {
 375                 // Send a local message to the local RaftActor (it's derived class to be
 376                 // specific to apply the log to it's index)
 377
 378                 final ApplyState applyState;
 379                 final ClientRequestTracker tracker = removeClientRequestTracker(i);
 380                 if (tracker != null) {
 381                     applyState = new ApplyState(tracker.getClientActor(), tracker.getIdentifier(), replicatedLogEntry);
 382                 } else {
 383                     applyState = new ApplyState(null, null, replicatedLogEntry);
 384                 }
 385
 386                 log.debug("{}: Setting last applied to {}", logName(), i);
 387
 388                 context.setLastApplied(i);
 389                 context.getApplyStateConsumer().accept(applyState);
 390             } else {
 391                 //if one index is not present in the log, no point in looping
 392                 // around as the rest wont be present either
 393                 log.warn("{}: Missing index {} from log. Cannot apply state. Ignoring {} to {}",
 394                         logName(), i, i, index);
 395                 break;
 396             }
 397         }
 398
 399         // send a message to persist a ApplyLogEntries marker message into akka's persistent journal
 400         // will be used during recovery
 401         //in case if the above code throws an error and this message is not sent, it would be fine
 402         // as the  append entries received later would initiate add this message to the journal
 403         actor().tell(new ApplyJournalEntries(context.getLastApplied()), actor());
 404     }
 405
 406     @Override
 407     public RaftActorBehavior handleMessage(ActorRef sender, Object message) {
 408         if (message instanceof AppendEntries) {
 409             return appendEntries(sender, (AppendEntries) message);
 410         } else if (message instanceof AppendEntriesReply) {
 411             return handleAppendEntriesReply(sender, (AppendEntriesReply) message);
 412         } else if (message instanceof RequestVote) {
 413             return requestVote(sender, (RequestVote) message);
 414         } else if (message instanceof RequestVoteReply) {
 415             return handleRequestVoteReply(sender, (RequestVoteReply) message);
 416         } else {
 417             return null;
 418         }
 419     }
 420
 421     @Override
 422     public RaftActorBehavior switchBehavior(RaftActorBehavior behavior) {
 423         return internalSwitchBehavior(behavior);
 424     }
 425
 426     protected RaftActorBehavior internalSwitchBehavior(RaftState newState) {
 427         return internalSwitchBehavior(createBehavior(context, newState));
 428     }
 429
 430     @SuppressWarnings("checkstyle:IllegalCatch")
 431     protected RaftActorBehavior internalSwitchBehavior(RaftActorBehavior newBehavior) {
 432         if (!context.getRaftPolicy().automaticElectionsEnabled()) {
 433             return this;
 434         }
 435
 436         log.info("{} :- Switching from behavior {} to {}, election term: {}", logName(), this.state(),
 437                 newBehavior.state(), context.getTermInformation().getCurrentTerm());
 438         try {
 439             close();
 440         } catch (RuntimeException e) {
 441             log.error("{}: Failed to close behavior : {}", logName(), this.state(), e);
 442         }
 443         return newBehavior;
 444     }
 445
 446
 447     protected int getMajorityVoteCount(int numPeers) {
 448         // Votes are required from a majority of the peers including self.
 449         // The numMajority field therefore stores a calculated value
 450         // of the number of votes required for this candidate to win an
 451         // election based on it's known peers.
 452         // If a peer was added during normal operation and raft replicas
 453         // came to know about them then the new peer would also need to be
 454         // taken into consideration when calculating this value.
 455         // Here are some examples for what the numMajority would be for n
 456         // peers
 457         // 0 peers = 1 numMajority -: (0 + 1) / 2 + 1 = 1
 458         // 2 peers = 2 numMajority -: (2 + 1) / 2 + 1 = 2
 459         // 4 peers = 3 numMajority -: (4 + 1) / 2 + 1 = 3
 460
 461         int numMajority = 0;
 462         if (numPeers > 0) {
 463             int self = 1;
 464             numMajority = (numPeers + self) / 2 + 1;
 465         }
 466         return numMajority;
 467
 468     }
 469
 470
 471     /**
 472      * Performs a snapshot with no capture on the replicated log. It clears the log from the supplied index or
 473      * lastApplied-1 which ever is minimum.
 474      *
 475      * @param snapshotCapturedIndex the index from which to clear
 476      */
 477     protected void performSnapshotWithoutCapture(final long snapshotCapturedIndex) {
 478         long actualIndex = context.getSnapshotManager().trimLog(snapshotCapturedIndex);
 479
 480         if (actualIndex != -1) {
 481             setReplicatedToAllIndex(actualIndex);
 482         }
 483     }
 484
 485     protected String getId() {
 486         return context.getId();
 487     }
 488 }