经典一致性协议总结

矫情吗；* 2022-02-03 17:19 271阅读 0赞

上篇上述了分布式系统的一些经典理论，即在设计分布式系统时候应该考虑的问题，那么本篇主要讲述分布式系统中数据的一致性，即数据在不同节点中如何保证一致性的问题。

经典一致性协议，主要分为以下三个：

*  **二阶段提交协议——2PC**
 *  **三阶段提交协议——3PC**
 *  **paxos算法**

下面就这三个协议做具体的分析与总结。

#### 1、二阶段提交协议——2PC ####

分布式系统中同样有数据库中的事务的概念，当不同的节点处理一个事物操作额时候，虽然本节点知道当前事务操作的成功与否，但是却不知道其它节点是否成功失败，如何同一个事务操作在本节点上成功，但是在其它节点上失败了，那么肯定会造成所谓的不一致现象。

**二阶段提交协议**提出就是解决在分布式事务操作上的一致性问题

2PC主要分为两个阶段：**提交事务阶段、执行事务阶段**  
分为两个角色：**协调者和参与者**

##### 第一阶段：提交事务阶段 #####

**1.事务询问**：协调者向所有参与者发送事务内容，询问是否可以执行事务提交操作，并开始等待参与者的响应。  
**2.执行事务**：各参与者节点执行事务操作，将类似undo和redo的信息持久化到日志中，注意，这里进行了实际的事务操作过程  
**3.反馈事务**：参与者成功执行了事务操作，则返回成功给协调者，否则则反馈失败给协调者，无论是成功还是失败都需要反馈。

##### 第二阶段：执行事务的提交 #####

第二阶段协调者将根据第一阶段的反馈结果，决定事务最终是否提交或者中断。  
**执行事务提交**：第一阶段所有参与者都回复成功

> 1.协调者向所有参与者发送提交事务commit请求  
> 2.参与者收到commit请求后，会正式提交事务操作，并完成之后释放对应占用资源  
> 3.反馈事务提交结果：提交成功后，返回ack确认信息  
> 4.完成事务：协调者接受到所有参与者发送的ack消息后，完成事务。

**中断事务**：其中任何一个参与者向协调者反馈了失败消息，或者协调者等待超时了还无任何反馈消息，此时会执行中断事务请求。

> 1.发送回滚请求：协调者会向所有的参与者发送Rollback请求  
> 2.事务回滚：参与者接收到了回滚请求后，会利用第一阶级持久化到入职的undo信息，执行回滚操作，回滚操作完成之后会释放对应占用的资源  
> 3.反馈回滚结果：参与者完成回滚之后，会向协调者发送ack确认信息。  
> 4.协调者受到左右信息之后，完成事务的回滚中断。

事务提交和事务回滚两种操作的示意图如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTI0MTQxODk_size_16_color_FFFFFF_t_70]

##### 两段式提交2PC的优缺点 #####

###### 优点： ######

原理简单，实现方便

###### 缺点： ######

**1.同步阻塞**  
由于在协调者还未发送提交或者中断请求时，所有参与者都处于阻塞状态，因为每个参与者反馈信息的延时是不一致的，因此存在短板效应，同步阻塞。

**2.单点问题**  
很明显，协调者自身是2PC里面最重要的角色，其本身存在单点问题，一旦故障，无法继续完成事务操作。

**3.数据不一致**  
在2PC的第二阶段，执行事务提交时，如果发生了网络问题，导致只有部分参与者收到了提交请求，此时这部分的参与者会提交事务，没有收到的参与者则会继续等待事务是否提交，此时整个系统则会出现不一致。

**4.太过保守**  
没有容错机制，一旦任何一个参与者或者网络出现问题，都会导致整个事务的失败，重试。这样的效率太低下的了。

#### 2.三段式提交协议——3PC ####

由于二段式提交协议存在诸如同步阻塞、脑裂、单点故障等问题，三段式提交协议随之产生，在2PC的基础上。

**协议说明**  
三段式提交议其核心思想，是将2PC中第一阶段（提交事务请求）一分为二，形成三个步骤，分别为**CanCommit，PreCommit和do Commit.** 三个步骤的具体说明如下：

**阶段一：CanCommit**

> **1.事务询问**  
> 协调者向所有参与者在发送一个包含事务内容的CanCommit请求，询问是否可以执行事务提交操作，并等待各个参与者的回答。  
> **2.反馈询问**  
> 参与者在接收到协调者发送的CanCommit请求后，如果可以执行则反馈成功，如果不能执行则反馈失败。  
> 注意：对于所有的参与者，在阶段一上并没有做实际的事务操作，只是根据自身的节点状态提前做一个判断。

**阶段二：PreCommit**  
在阶段二中，协调者根据参与者的反馈请求，决定是否可以进行事务的PreCommit操作，则分为两种情况。  
**执行事务的预提交：当所有参与者都回复成功**

> **1.发送预提交请求**  
> 协调者向所有参与者节点发送PreCommit请求，进入prepare阶段  
> **2.事务预提交**  
> 参与者接收到PreCommit请求，执行事务操作将类似undo和redo的信息持久化到日志中，注意，这里进行了实际的事务操作过程  
> **3.反馈响应**  
> 参与者成功执行则反馈ack信息，同时等待最终的提交请求

**中断事务：当阶段一中有任意参与者回复失败**

> **1.发送中断**  
> 协调者向所有参与者节点发送中断abort请求  
> **2.中断事务**  
> 无论是收到协调者的中断请求，还是等待协调者请求超时的情况，参与者都会中断事务

**阶段三：do Commit**  
在阶段三种进行真正的事务提交，也是会存在两种情况。  
\*\*执行提交：\*\*当事务二反馈信息全部成功时

> **1.发送提交请求**  
> 当事务二反馈信息全部成功时，协调者向所有的参与者发送do Commit事务提交请求  
> **2.事务提交**  
> 参与者接收到提交请求后，会正式执行事务提交操作，并在提交完成后释放对应资源  
> **3.结果反馈**  
> 参与者在完成事务提交之后，想协调者发送反馈ack信息  
> **4.完成事务**  
> 协调者接收到所有参与者反馈的ack信息后，完成事务

**中断事务**：其中任何一个参与者向协调者反馈了失败消息，或者协调者等待超时了还无任何反馈消息，此时会执行中断事务请求。

> **1.发送回滚请求**：协调者会向所有的参与者发送Rollback请求  
> **2.事务回滚**：参与者接收到了回滚请求后，会利用第一阶级持久化到入职的undo信息，执行回滚操作，回滚操作完成之后会释放对应占用的资源  
> **3.反馈回滚结果**：参与者完成回滚之后，会向协调者发送ack确认信息。  
> 4.协调者受到左右信息之后，完成事务的回滚中断。

值得注意的是，一旦进入阶段三，可能会存在以下两种情况

*  协调者出现问题
 *  协调者和参与者之间的网络出现问题

当出现这两种问题时，最终的提交请求会无法到达参与者这里，针对这样的情况3PC统一采取，等待超时之后，继续执行事务提交。

**三阶段提交协议流程示意图**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTI0MTQxODk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

##### 三段式提交协议3PC优缺点 #####

**优点：**  
对于2PC，很明显，将同步阻塞的情况限制在阶段一，这样可以有效降低参与者的阻塞范围，并且能够在单点故障后继续达到一致。

**缺点：**  
由于网络问题，只要参与者接收到了PreCommit，当发生网络分区通信失败请求下，等待超时，3PC协议一定会提交事务，但是往往可能在第二阶段中间发送的是中断事务请求，这样会导致数据的不一致现象。这也是三阶段协议额外引入的一个问题。

#### 参考： ####

《从paxos到zookeeper》

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