ZooKeeper Paxos算法

布满荆棘的人生 2022-04-10 06:21 239阅读 0赞

# ZooKeeper Paxos算法 #

先说Paxos，它是一个基于消息传递的一致性算法，Leslie Lamport在1990年提出，近几年被广泛应用于分布式计算中，Google的Chubby，Apache的Zookeeper都是基于它的理论来实现的，Paxos还被认为是到目前为止唯一的分布式一致性算法，其它的算法都是Paxos的改进或简化。

有个问题要提一下，Paxos有一个前提：没有拜占庭将军问题。就是说Paxos只有在一个可信的计算环境中才能成立，这个环境是不会被入侵所破坏的。

## Paxos 算法场景 ##

Paxos描述了这样一个场景，有一个叫做Paxos的小岛(Island)上面住了一批居民，岛上面所有的事情由一些特殊的人决定，他们叫做议员(Senator)。议员的总数(Senator Count)是确定的，不能更改。

## 规则 ##

1.  岛上每次环境事务的变更都需要通过一个提议(Proposal)，每个提议都有一个编号(PID)，这个编号是一直增长的，不能倒退。
2.  每个提议都需要超过半数((Senator Count)/2 +1)的议员同意才能生效。
3.  每个议员只会同意大于当前编号的提议，包括已生效的和未生效的。如果议员收到小于等于当前编号的提议，他会拒绝，并告知对方：你的提议已经有人提过了。
4.  这里的当前编号是每个议员在自己记事本上面记录的编号，他不断更新这个编号。整个议会不能保证所有议员记事本上的编号总是相同的。

现在议会有一个目标：保证所有的议员对于提议都能达成一致的看法。

## 正常流程 ##

好，现在议会开始运作。

1.  所有议员一开始记事本上面记录的编号都是0。
2.  有一个议员发了一个提议：将电费设定为1元/度。他首先看了一下记事本，嗯，当前提议编号是0，那么我的这个提议的编号就是1，于是他给所有议员发消息：1号提议，设定电费1元/度。
3.  其他议员收到消息以后查了一下记事本，哦，当前提议编号是0，这个提议可接受，于是他记录下这个提议并回复：我接受你的1号提议，同时他在记事本上记录：当前提议编号为1。
4.  发起提议的议员收到了超过半数的回复，立即给所有人发通知：1号提议生效！
5.  收到的议员会修改他的记事本，将1好提议由记录改成正式的法令，当有人问他电费为多少时，他会查看法令并告诉对方：1元/度。

## 解决冲突 ##

现在看冲突的解决

1.  假设总共有三个议员S1-S3，S1和S2同时发起了一个提议:1号提议，设定电费。
2.  S1想设为1元/度,
3.  S2想设为2元/度。
4.  结果S3先收到了S1的提议，于是他做了和前面同样的操作。
5.  紧接着他又收到了S2的提议，结果他一查记事本，咦，这个提议的编号小于等于我的当前编号1，于是他拒绝了这个提议：对不起，这个提议先前提过了。
6.  于是S2的提议被拒绝，S1正式发布了提议: 1号提议生效。
7.  S2向S1或者S3打听并更新了1号法令的内容，然后他可以选择继续发起2号提议。

## ZooKeeper 中Paxos算法的实现 ##

好，我觉得Paxos的精华就这么多内容。现在让我们来对号入座，看看在ZK Server里面Paxos是如何得以贯彻实施的。

*  小岛(Island)——ZK Server Cluster
 *  议员(Senator)——ZK Server
 *  提议(Proposal)——ZNode Change(Create/Delete/SetData…)
 *  提议编号(PID)——Zxid(ZooKeeper Transaction Id)
 *  正式法令——所有ZNode及其数据

貌似关键的概念都能一一对应上，但是等一下，Paxos岛上的议员应该是人人平等的吧，而ZooKeeper Server好像有一个Leader的概念。

没错，其实Leader的概念也应该属于Paxos范畴的。

如果议员人人平等，在某种情况下会由于提议的冲突而产生一个“活锁”（所谓活锁我的理解是大家都没有死，都在动，但是一直解决不了冲突问题）。

Paxos的作者Lamport在他的文章”The Part-Time Parliament“中阐述了这个问题并给出了解决方案——在所有议员中设立一个总统，只有总统有权发出提议，如果议员有自己的提议，必须发给总统并由总统来提出。

好，我们又多了一个角色：总统。

*  总统——ZK Server Leader

又一个问题产生了，总统怎么选出来的？

先不在这讨论这个问题。

现在我们假设总统已经选好了，下面看看ZooKeeper Server是怎么实施的。

情况一：

平民甲(Client)到某个议员(ZK Server)那里询问(Get)某条法令的情况(ZNode的数据)，议员毫不犹豫的拿出他的记事本(local storage)，查阅法令并告诉他结果，同时声明：我的数据不一定是最新的。你想要最新的数据？没问题，等着，等我找总统同步（Sync）一下再告诉你。

情况二：

平民乙(Client)到某个议员(ZK Server)那里要求政府归还欠他的一万元钱，议员让他在办公室等着，自己将问题反映给了总统，总统询问所有议员的意见，多数议员表示欠屁民的钱一定要还，于是总统发表声明，从国库中拿出一万元还债，国库总资产由100万变成99万。屁民乙拿到钱回去了(Client函数返回)。

情况三：

总统突然挂了，议员接二连三的发现联系不上总统，于是各自发表声明，推选新的总统，总统大选期间政府停业，拒绝平民的请求。等新总统选举成功后，再接收平民的请求。