1、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
2、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
3、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
4、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
5、先级越高。（3）当任意进程 Pi收到一个选举消息时，需要将其中的 id 与自己的 id 相比，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
6、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
7、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
8、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过来了后，它将主持一场选举。如果该进程恰好是当前运行进程中编号最大的进程，它将获胜，故此成为欺负算法。算法过程：（1）要求系统中每个进程都知道其他所有进程
9、的优先级。（2）当进程 P 通过超时机制发现当前的协调者不再工作时，要向所有优先级比它高的进程广播选举消息以开始一个选举过程：如果在规定的时间内没有应答，则 P 向所有优先级比自己低的进程发送自己的 id，宣布自己当选。如果收到应答，则 P 设置一个计时器并等待当选者宣布自己的 id; 如果计时器满时还没有收到当选者的消息，则 p 重新开始选举过程。（3）当进程 Pi收到进程 Pj发来的选举消息时：向所有优先级比自己高的进程广播选举消息来开始一个选举过程，并向 Pi 返回一个应答；如果自己有最高优先级，则立即宣布自己当选。欺负算法举例一组由 1 号到 8 号的 8 个进程组成的进程组，开始号码
10、最大的 8 号进程是协调者，但他突然发生故障。 如果 5 号进程首先发现并发起选举，他向所有比它进程号大的进程 6、7、8 发送选举消息， 如图 1（a）所示进程 6 和 7 接收消息后发送回 OK 消息， 如图（b）所示，进程 5 接收到第一个应答时就知道自己的工作已经结束了 ， 因为已经有比他进程号大的进程接管他的工作，紧接着进程 6 和 7 都主持选举，如图（c）所示进程 6 发送选举消息给进程 7 和 8，进程 7 只发送选举消息给进程 8 在图（d）中，进程 7 发送 OK 消息给进程 6，而进程 7 没有收到进程 8 的应答消息，从而判断进程 8 已经死了，所以进程 7 成为新的协
11、调者，并通知所有其他进程， 如图（e）所示，此时，系统恢复正常，所有进程继续进行原先的工作。5.基于非比较的算法:在基于非比较的算法中，领导者不是通过和其他进程比较 id 选出来的。而且他的 id 是和用轮表示的时间联系在一起的。所以这些算法是面向同步系统的，其中所有的进程根据轮协调它们的行为。在每轮，进程执行本地更新并和其他进程交换消息。过程：在每个阶段 V=1,2中进行计算，每个阶段都由 n 个连续的轮组成。每个阶段都有一个携带着特殊 id 的令牌一直在环中流转。更特别的，在包含轮（v-1）n+1,Vn 的阶段 v 中只有带着 id=v 的令牌才允许流转。如果存在 id 为 v 的进程 i 即 id（i）=v，且在（v-1）n+1 轮到达之前进程j 没有收到任何非空消息，那么进程 i 就会把自己选举为领导者，并沿着环发送一个包含其 id 的令牌。当这个令牌在传递的时候，所有其他进程都接收到它，这样它们就不选举自己为领导者或者在以后的阶段创建令牌。
