选举算法

一、简介选举算法中的概念：

1.选举：

选举是分布式系统中的一种常用的计算类型，它从进程集中选出一个进程执行特别的任务。例如，在分布式系统出现故障后，通常需要重新组织活动的节点使它们继续执行有用的任务。在这个重新组织和配置的过程中，第一步就是要选出一个协调者来管理这些操作。故障的检测通常是基于超时机制的。如果一个进程超过一定的时间没有收到协调者的响应，它就怀疑协调者出了故障并启动选举过程。选举在群服务器、负载平衡、重复数据更新、应急恢复、连接组和互斥等领域都有广泛应用。

2.选举过程：

（a）选择一个具有最高优先级的领导者，（b）通知其他进程谁是领导者（优胜者）

3.选举问题：

在对各种应用程序或分布式系统设计分布式算法时，一些一般性的问题经常可以看成是一种选举问题，选举问题成为分布式计算的基本问题。

从具有同一地位(状态)的进程的形态开始，系统最后到达一个形态，在这个形态，进程中有一个进程处于leader(领导人)地位(状态)，而其他所有进程则处于lost(落选)状态。例如，要启动集中式算法，且没有一个优先的候选人作为算法的初始进程，就需要先进行进程的选举。选举问题也称找领导人问题。问题是从具有同一状态的进程配置开始，最后到达一种配置状态，其中只有一个进程处于leader状态，而其它所有进程处于lost状态。如果要执行集中式算法，且没有一个优先的候选人作为算法的初始进程，就要举行进程的选举。

4.选举算法：

基于所使用的网络类型，人们提出了不同的分布式选举算法：（a）存储－转发网络，包括单向环、双向环、完全图、树和弦环，（b）广播网络大部分选举算法是基于全局优先级的，其中，每个进程（处理机）预先分配一个优先级。这些算法也称作extrema-finding 算法。对extrema-finding 算法的主要反对意见是一旦选中一个领导者时，就必须保证它是一个正确的选择，

比如，从性能或可靠性的观点来看。

5.选举算法的性质：

1.每个进程有相同的局部算法；

2.算法是分散式的，即，进程的任意非空子集都能开始一次计算；在每次计算中，算法达到终止配置。在每个可达的终止配置中，只有一个进程处于领导人状态，而其它所有进程处于失败状态。最后一个性质可以弱化，只要求有一个进程处于领导者状态。

6.选举算法的分类：

（1）基于环形拓扑的（环算法），其中每个进程不知道其它进程的优先级。（2）基于全连接拓扑的，其中每个进程知道其它进程的优先级。

（3）基于非比较的，其中消息被“编码”在以轮（Round）表示的时间中，这种类型的算法只能工作在同步系统中。

前两个算法基于比较的，通过比较所有进程id和发送接收消息中的id选出一个领导者。

二、介绍几种常见的选举算法：

1.基于环形拓扑的选举算法：

算法基本过程：

（1）n个进程按任意顺序排列在一个环上。

（2）进程的id不同，值越小的优先级越高。

（3）当任意进程P

收到一个选举消息时，需要将其中的id与自己的id相比，

i

并将较小者放入选举消息中向环的下游发送。

（4）当任意进程Pi收到包含自己id的选举消息时，可确认自己当选，这时它需要将这个消息通知所有其它的进程。

2.基于树算法的选举算法

如果网络的拓扑结构是树，或者网络的生成树可用，就可以使用网络的树算法进行选举。在树选举算法中，要求至少所有的叶子结点是算法的初始进程。为了让所有的叶子进程成为初始进程，我们可以增加一个唤醒阶段。想要启动选举的进程将消息扩散到所有进程中，布尔变量ws用于控制每个进程至多

发送一次消息，变量wr用于对进程所接收的消息计数。当进程通过每条通道接收到消息时，进行最小标识的计算，并使每个进程判定。当进程进行判定时，就知道了领导人的标识。如果该标识与进程标识相等，它就称为领导人，否则就成为落选进程

3.环算法

（1）该环算法不适用令牌，假设进程按照物理或者逻辑顺序进行排序，那么进程都知道它的后继者当任何一个进程注意到协调者不工作时，它构造一个带有自己的进程号的election消息，并将消息发送给后继者。如果后继者崩溃了，发送者沿着此环跳过它的后继者发送给下一个进程，或者再下一个进程。直到找到一个正在运行的进程。

（2）在每一步中，发送者将自己的进程编号加入到消息中，以使自己成为协调者候选人之一。

（3）最终消息返回到发起这次选举的进程，当发起者收到一条包含自己进程编号的消息时，识别出来。此时消息编程coordinator消息，并再一次绕环运行，向所有进程通知谁是协调者（成员列表中进程号最大的那个)

4.Garcia-Molina的欺负算法（bully algorithm）

对于每个进程知道所有其他进程的优先级的系统而言，欺负算法是一个可靠的选举算法。同样，具有最高优先级的进程被选中。假设进程可能随时发生故障并恢复。如果一个进程恢复时发现没有其他活动进程的优先级比它高，它将强迫所有优先级比它低的进程让它成为协调者。

bully算法

当任何一个进程发现协调者不响应请求时，他发起一次选举，选举过程如下：a\ P进程向所有编号比他大的进程发送一个election消息

b\ 如果无人响应，则P获胜，成为协调者

c\ 如果编号比他大的进程响应，则由响应者接管选举工作，P的工作完成。

任何一个时刻，一个进程只能从编号比他小的进程接受election消息，当消息到达时，接受者发送一个OK消息给发送者，表明它在运行，接管工作。

最终除了一个进程外，其他进程都放弃，那个进程就是新的协调者。他将获胜消息发送给其他所有进程，通知他们新的协调者。当一个以前崩溃的进程恢复