解决方案

原理简述：
1）首先，需要创建一个与节点健康指标相关的 Lease，并将该 Lease 与节点健康指标 key 关联；
2）然后，在执行健康检查的时候，需要周期更新 Lease 的 TTL；
3）如果某个节点异常，则其将无法对 Lease 进行正常续期，那么随着时间消逝，对应的 Lease 则会过期，Lessor 主循环定时轮询过期的 Lease。获取到 ID 后，Leader 发起 revoke 操作，通知整个集群删除 Lease 和关联的数据；

第一步、创建 Lease 实例

为节点健康指标创建一个租约：

# 创建一个 TTL 为 600s 的 lease，etcd server 返回 LeaseID
$ etcdctl lease grant 600
lease 326975935f48f814 granted with TTL(600s)

# 查看 lease 的 TTL、剩余时间
$ etcdctl lease timetolive 326975935f48f814
lease 326975935f48f814 granted with TTL(600s)， remaining(590s)

当 Lease server 收到 client 的创建一个有效期 600s 的 Lease 请求后，会通过 Raft 模块完成日志同步，随后 Apply 模块通过 Lessor 模块的 Grant 接口执行日志条目内容。然后 Lessor 的 Grant 接口会把 Lease 保存到内存的 ItemMap 数据结构中，然后它需要持久化 Lease，将 Lease 数据保存到 boltdb 的 Lease bucket 中，返回一个唯一的 LeaseID 给 client；

第二步、Key 关联 Lease

然后，将节点的健康指标数据关联到此 Lease 上：

KV 模块的 API 接口提供 –lease 参数，来将 key node 关联到对应的 LeaseID 上：

$ etcdctl put node healthy --lease 326975935f48f818
OK

// 查询的时候增加 -w 参数输出格式为 json，就可查看到 key 关联的 LeaseID；

$ etcdctl get node -w=json | python -m json.tool
{
    "kvs":[
        {
            "create_revision":24，
            "key":"bm9kZQ=="，
            "Lease":3632563850270275608，
            "mod_revision":24，
            "value":"aGVhbHRoeQ=="，
            "version":1
        }
    ]
}

通过 put 等命令，当新增一个指定 –lease 参数的 key 时，MVCC 模块它会通过 Lessor 模块的 Attach 方法，将 key 关联到 Lease 的 key 内存集合（ItemSet）中；

Q：一个 Lease 关联的 key 集合是保存在内存中的，那么 etcd 重启时，是如何知道每个 Lease 上关联了哪些 key 呢？
A：etcd 的 MVCC 模块在持久化存储 KV 的时候，保存到 boltdb 的 value 是个结构体（mvccpb.KeyValue）， 它不仅包含你的 KV 数据，还包含了关联的 LeaseID 等信息。因此当 etcd 重启时，可根据此信息，重建关联各个 Lease 的 key 集合列表；

第三步、发送健康检查（续期）

通过以上流程，我们完成了 Lease 创建和数据关联操作；

在正常情况下，当节点存活时，需要定期发送 KeepAlive 请求给 etcd 来续期用于健康状态的 Lease，否则 Lease 及其关联的数据就会被删除；

续期操作 Client 是必须要直接发送给 Leader 的，如果 Follower 收到 Keepalive 请求，会转发给 Leader 节点；

续期操作不经过 raft 协议处理同步，而 lease Grant/Revoke 请求会经过 raft 协议同步给各个节点，因此任意节点都可以处理它；

性能优化：提高 Lease 续期性能

Lease 续期其实很简单，核心是将 Lease 的过期时间更新为当前系统时间加其 TTL；

关键问题在于续期的性能能否满足业务诉求。作为一个高频率的请求 API，etcd 需要优化 Lease 续期的性能；

然而影响续期性能因素又是源自多方面的：
1）TTL：过长，将导致节点异常后无法及时从 etcd 中删除，影响服务可用性；过短，则要求 client 频繁发送续期请求；
2）其次是 Lease 数，如果 Lease 成千上万个，那么 etcd 可能无法支撑如此大规模的 Lease 数，导致高负载；

在早期 v2 版本中，没有 Lease 概念，TTL 属性是在 key 上面。为了保证 key 不删除（续期），即便 TTL 相同，client 也需要为每个 TTL、key 创建一个 HTTP/1.x 连接，定时发送续期请求给 etcd server；

etcd v3 版本提出 Lease 特性：
1）TTL 属性转移到 Lease 上， 不同 key 若 TTL 相同，可复用同一个 Lease， 显著减少了 Lease 数
2）协议从 HTTP/1.x 优化成 gRPC 协议，通过 gRPC HTTP/2 实现多路复用，流式传输，同一连接可支持为多个 Lease 续期，大大减少了连接数；

第四步、淘汰过期 Lease 实例

当节点异常时，将无法正常续期后，etcd 需要淘汰过期 Lease，并删除节点健康指标 key 的；

淘汰过期 Lease 的工作由 Lessor 模块的 RevokeExpiredLease（一个异步 goroutine）负责；

它会定时从最小堆中取出已过期的 Lease，执行删除 Lease 和其关联的 key 列表数据的 RevokeExpiredLease 任务；

所示如图，目前 etcd 是基于最小堆来管理 Lease，实现快速淘汰过期的 Lease；

早期

etcd 早期的时候，淘汰 Lease 非常暴力。etcd 会直接遍历所有 Lease，逐个检查 Lease 是否过期，过期则从 Lease 关联的 key 集合中，取出 key 列表，删除它们，时间复杂度是 O(N)。然而这种方案随着 Lease 数增大，毫无疑问它的性能会变得越来越差；

现在（性能优化：过期 Lease 高效淘汰）

我们能否按过期时间排序呢？这样每次只需轮询、检查排在前面的 Lease 过期时间，一旦轮询到未过期的 Lease， 则可结束本轮检查；

刚刚说的就是 etcd Lease 高效淘汰方案最小堆的实现方法。每次 Lease 新增或续期的时候，它会插入、更新一个对象到最小堆中，对象含有 LeaseID 和其到期时间 unixnano，对象之间按到期时间升序排序；

etcd Lessor 主循环每隔 500ms 执行一次撤销 Lease 检查（RevokeExpiredLease），每次轮询堆顶的元素，若已过期则加入到待淘汰列表，直到堆顶的 Lease 过期时间大于当前，则结束本轮轮询；

当使用堆后，插入、更新、删除，它的时间复杂度是 O(Log N)，查询堆顶对象是否过期时间复杂度仅为 O(1)，性能大大提升，可支撑大规模场景下 Lease 的高效淘汰；

删除 Follower 的 Lease 实例

获取到待过期的 LeaseID 后，Leader 是如何通知其他 Follower 节点淘汰它们呢？

Lessor 模块会将已确认过期的 LeaseID，保存在一个名为 expiredC 的 channel 中，而 etcd server 的主循环会定期从 channel 中获取 LeaseID，发起 revoke 请求，通过 Raft Log 传递给 Follower 节点；

各个 Follower 收到 revoke Lease 请求后：
1）获取关联到此 Lease 上的 key 列表，从 boltdb 中删除 key，
2）从 Lessor 的 Lease map 内存中删除此 Lease 对象，最后还需要从 boltdb 的 Lease bucket 中删除这个 Lease；

性能优化：checkpoint

问题描述

检查 Lease 是否过期、维护最小堆、针对过期的 Lease 发起 revoke 操作，都是 Leader 节点负责的，它类似于 Lease 的仲裁者，通过以上清晰的权责划分，降低了 Lease 特性的实现复杂度；

那么当 Leader 因重启、crash、磁盘 IO 等异常不可用时，Follower 节点就会发起 Leader 选举，新 Leader 要完成以上职责，必须重建 Lease 过期最小堆等管理数据结构；

当你的集群发生 Leader 切换后，新的 Leader 基于 Lease map 信息，按 Lease 过期时间构建一个最小堆时，etcd 早期版本为了优化性能，并未持久化存储 Lease 剩余 TTL 信息，因此重建的时候就会自动给所有 Lease 自动续期了；

然而若较频繁出现 Leader 切换，切换时间小于 Lease 的 TTL，这会导致 Lease 永远无法删除，大量 key 堆积，db 大小超过配额等异常；

解决方案

为了解决这个问题，etcd 引入了检查点机制，也就是下面架构图中黑色虚线框所示的 CheckPointScheduledLeases 的任务；

当 etcd 启动的时候（默认 Follower 角色），Leader 节点后台会运行此异步任务，定期批量地将 Lease 剩余的 TTL 基于 Raft Log 同步给 Follower 节点，Follower 节点收到 CheckPoint 请求后，更新内存数据结构 LeaseMap 的剩余 TTL 信息；

当 Leader 节点收到 KeepAlive 请求的时候，它也会通过 checkpoint 机制把此 Lease 的剩余 TTL 重置，并同步给 Follower 节点，尽量确保续期后集群各个节点的 Lease 剩余 TTL 一致性；

注意，此特性对性能有一定影响，目前仍然是试验特性。你可以通过 experimental-enable-lease-checkpoint 参数开启；