【Zookeeper灵魂】一个关于Paxos算法的故事

淡淡的烟草味﹌ 2022-10-27 12:07 157阅读 0赞

算法也源于生活，Paxos算法故事，非常有趣的故事。

Zookeeper默认采用FastLeaderElection算法,然而FastLeaderElection对于Zookeeper来讲只是相当于paxos中的leader选举。  
  下面我们用最简单的方式加以描述并建立起Paxos和ZKServer的对应关系。

Paxos描述了这样一个场景:  
![这里写图片描述][SouthEast]  
  1、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)。  
  2、议员的总数(SenatorCount)是确定的，不能更改。  
  3、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。  
  4、每个提议都需要超过半数((SenatorCount)/2+1)的议员同意才能生效。  
  5、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。  
  6、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。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。  
![这里写图片描述][SouthEast 1]  
  好，现在议会开始运作，所有议员一开始记事本上面记录的编号都是0。  
  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。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。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！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。  
现在看冲突的解决：  
![这里写图片描述][SouthEast 2]  
  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。S1想设为1元/度,S2想设为2元/度。结果S3先收到了S1的提议，于是他做了和前面同样的操作。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。于是S2的提议被拒绝，S1正式发布了提议:1号提议生效。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。  
  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ZKServer里面Paxos是如何得以贯彻实施的。  
  小岛(Island)——ZKServerCluster  
  议员(Senator)——ZKServer  
  提议(Proposal)——ZNodeChange(Create/Delete/SetData…)  
  提议编号(PID)——Zxid(ZooKeeperTransactionId)  
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ZKServer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”ThePart-TimeParliament“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——ZKServerLeader  
又一个问题产生了，总统怎么选出来的？有兴趣的可以去看看：http://rdc.taobao.com/blog/cs/?p=162 现在我们假设总统已经选好了  
  现在我们假设总统已经选好了，下面看看ZKServer是怎么实施的。  
![这里写图片描述][SouthEast 3]  
情况一：  
  屁民甲(Client)到某个议员(ZKServer)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(localstorage)，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Sync一下再告诉你。  
情况二：  
  屁民乙(Client)到某个议员(ZKServer)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，拒绝屁民的请求。  
  呵呵，到此为止吧，当然还有很多其他的情况，但这些情况总是能在Paxos的算法中找到原型并加以解决。这也正是我们认为Paxos是Zookeeper的灵魂的原因。当然ZKServer还有很多属于自己特性的东西：Session,Watcher，Version等等，需要我们花更多的时间去研究和学习。

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