Nacos 源码阅读 —— CP 一致性协议（JRaft）

Nacos 的持久实例与配置数据走 CP 强一致，底层是 JRaft（蚂蚁开源的 Raft 实现）。本文从源码拆解：JRaft 在 Nacos 中如何接入、Leader 选举如何发生、日志如何复制、节点变更如何处理。

为什么需要 CP

数据	后果
配置数据不一致	不同节点下发不同配置 → 线上事故
持久实例不一致	人工注册的固定节点状态错乱

所以这两类数据必须强一致：写入经过多数派确认，任何节点读到一致结果。

JRaft 与一致性接口

Nacos 通过 ConsistencyService 抽象接入 JRaft：

ConsistencyService（接口）
   ├─ put(key, value)   写操作
   ├─ get(key)          读操作
   └─ remove(key)       删除操作
        │
        ├─ AP 实现：DistroConsistencyServiceImpl（临时实例）
        └─ CP 实现：PersistentConsistencyServiceDelegateImpl
              └─ JRaftConsistencyServiceImpl（持久实例/配置）

配置/持久实例的写入入口

// 注册表写入时判断实例类型
if (instance.isEphemeral()) {
    // 临时实例 → Distro（AP）
    consistencyService.put(key, instance);
} else {
    // 持久实例 → JRaft（CP）
    persistentConsistencyService.put(key, instance);
}

JRaft 在 Nacos 中的初始化

// JRaftServer / JRaftConsistencyServiceImpl
public class JRaftConsistencyServiceImpl implements PersistentConsistencyService {

    private RaftGroupService raftGroupService;   // 组服务
    private Node raftNode;                       // 本节点 Raft 角色

    public void init() throws Exception {
        // 1. 配置 Raft 组（members：集群节点列表）
        RaftGroup raftGroup = RaftGroup.newInstance(raftGroupId, peers);

        // 2. 创建 Raft 节点
        Node node = RaftNode.newNode(raftGroup, configuration);

        // 3. 注册状态机（日志应用到状态机的回调）
        node.setRaftStateMachine(NacosRaftStateMachine());

        // 4. 注册 Snapshot（快照，日志压缩）
        node.registerSnapshotExecutor(...);

        // 5. 启动
        node.start();
    }
}

核心组件

组件	作用
RaftGroupService	Raft 组管理（成员配置、组创建）
Node	单节点角色状态机（Leader/Follower/Candidate）
RaftStateMachine	日志应用到业务状态的回调
SnapshotExecutor	快照保存/恢复（压缩日志）

Leader 选举

选举流程（Raft 标准流程）

所有节点角色 = Follower
   │
   ├─ 选举超时（随机 150-300ms）未收到 Leader 心跳
   │    └─ 变为 Candidate，发起 PreVote
   │         └─ 请求其他节点投票（RequestVote）
   │              ├─ 日志较新的节点才被投票
   │              └─ 获得多数派投票 → 成为 Leader
   │
   └─ Leader 开始发送心跳（AppendEntries，空日志）
         └─ 所有 Follower 重置选举超时

JRaft 源码关键类

// com.alipay.sofa.jraft.core.NodeImpl
public class NodeImpl implements Node {

    // 选举超时后触发
    public void handleElectionTimeout() {
        // 1. 角色 Follower → Candidate
        changeToCandidate();
        // 2. 发起 PreVote（预投票，避免网络分区下的选举抖动）
        sendPreVote();
        // 3. PreVote 通过 → 正式 RequestVote
        ...
    }
}

PreVote 的意义

网络分区时，少数派节点收不到 Leader 心跳，会频繁发起选举。PreVote 先确认"自己能否当选"（日志是否最新），避免无意义选举导致任期（term）不断增长。

日志复制

写入流程

客户端写入（配置/持久实例）
   │
   ▼
Leader 收到 Propose
   │
   ├─ 1. 追加日志到本地 Log（任期 + 索引 + 数据）
   ├─ 2. 并行向 Follower 发送 AppendEntries
   │
   ├─ 3. 多数派确认（Quorum）后
   │     └─ 日志 Commit（提交）
   │           └─ 应用到状态机（RaftStateMachine）
   │
   └─ 4. 返回客户端成功

Nacos 状态机应用

// NacosRaftStateMachine 的 onApply 回调
public void onApply(Iterator iter) {
    while (iter.hasNext()) {
        LogEntry log = iter.next();
        ByteBuffer data = log.getData();

        // 反序列化操作（put/remove）
        Operation op = serializer.deserialize(data);

        // 应用到业务存储：
        //   配置 → 写入内存缓存 + MySQL
        //   持久实例 → 写入注册表
        onSuccess(op, ...);
        iter.next();
    }
}

日志复制时序

Leader            Follower A        Follower B
  │ Propose 日志 t1    │                │
  ├───────────────────▶│                │
  ├────────────────────┼───────────────▶│
  │ 多数派已确认        │                │
  │ Commit t1          │                │
  │ 应用状态机          │ 应用状态机       │ 应用状态机
  │ 返回客户端成功       │                │

节点变更（Membership Change）

单步变更 vs 联合共识

JRaft 支持节点增删，变更流程：

1. Leader 提交新成员配置（配置日志）
2. 多数派确认配置日志
3. 新节点加入：日志追平后成为 Follower
4. 旧节点移除：不再参与投票

Nacos 集群节点变化

nacos.conf 修改 members
   │
   ▼
节点重启后感知新成员列表
   │
   ▼
JRaft 通过配置变更协议完成成员调整

生产变更节点：逐个操作，先加新节点，稳定后再下旧节点，避免同时变动导致选举失效。

读一致性

线性一致读 vs 允许陈旧读

JRaft 提供两种读：

读方式	一致性	实现
ReadIndex	线性一致	Leader 确认自身任期后读日志状态
本地读	可能陈旧	直接读本地状态机（性能最好）

Nacos 配置读取通常直接读本地缓存（允许极短暂陈旧），写入才走 CP 全链路。

与 AP（Distro）的边界

同一个注册表里：
   ├─ 临时实例（ephemeral=true）  → Distro，AP
   └─ 持久实例（ephemeral=false） → JRaft，CP

同一节点上两套协议共存，互不干扰

这是 Nacos 混合一致性设计的源码级体现：ConsistencyService 按实例类型分派。

关键源码文件索引

组件	位置（nacos 仓库）
PersistentConsistencyService	naming/src/main/java/.../consistency/PersistentConsistencyService.java
JRaftConsistencyServiceImpl	naming/.../consistency/persistent/JRaftConsistencyServiceImpl.java
NacosRaftStateMachine	naming/.../consistency/persistent/NacosRaftStateMachine.java
NodeImpl（JRaft）	jraft-core/.../NodeImpl.java（依赖 jar）
RaftGroupService	naming/.../core/RaftGroupService.java

常见问题

1. JRaft 选举失败？ 检查集群节点数是否 ≥3、成员配置是否正确、节点时钟是否同步。
2. 为什么写配置要多数派确认？ 保证任何时刻最多一个 Leader 提交，避免分区时两个节点同时"写成功"。
3. 日志无限增长怎么办？ JRaft 快照机制定期压缩旧日志，只保留状态机结果。
4. 可以只部署 2 节点吗？ 不建议，2 节点多数派仍要 2 票，单点故障即不可用；生产 ≥3 节点。