老劉是一名即將找工作的研二學生，寫博客一方面是復習總結大數據開發的知識點，一方面是希望能夠幫助和自己一樣自學編程的伙伴。由於老劉是自學大數據開發，博客中肯定會存在一些不足，還希望大家能夠批評指正，讓我們一起進步！
今天給各位小伙伴聊聊分布式系統的數據一致性問題，這個一定要從服務器架構部署的發展歷程講起！文章篇幅較長，請大家耐心觀看，精彩千萬不要錯過！
1. 背景
1.1. 集中式服務
首先要講的是集中式服務，那集中式是什么？就是事情都由一台服務器搞定。
而集中式系統就是由一台或多台主計算機組成中心節點，數據集中存儲於這個中心節點中，並且整個系統的所有業務都在這個中心節點上，系統所有的功能都由它做。
也就是說，在集中式系統中，每個客戶端僅僅負責數據的輸入和輸出，而數據的存儲與控制處理完全交給主機完成。
那集中式服務優點：
- 結構簡單
- 部署簡單
- 項目架構簡單
但是它的缺點也是非常明顯：
- 大型主機的研發和維護成本非常高
- 大型主機非常昂貴
- 存在單點故障問題，主機一掛，所有服務終止
- 大型主機的性能擴展受限於摩爾定律
什么是摩爾定律？
摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。摘自：百度百科
摩爾定律告訴我們：縱向擴展理論上是受限的，所以只能考慮橫向擴展，而且從理論上說，橫向擴展理論上是不受限的！
那既然縱向擴展受限，我們就去嘗試橫向擴展，就有了分布式！
1.2. 分布式服務
分布式意味着可以采用更多的普通計算機（相對於昂貴的大型機）組成分布式集群對外提供服務。計算機越多，CPU、內存、存儲資源等也就越多，能夠處理的並發訪問量也就越大。
例如一個由分布式系統實現的電子商城，在功能上可能被拆分成多個應用，分別提供不同的功能，組成一個分布式系統對外提供服務。
所以，分布式系統中的計算機在空間上是幾乎沒有限制的，這些計算機可能被放在不同的機櫃上，也可能被部署在不同的機房中，還可能在不同的城市中。
和集中式系統相比，分布式系統的性價比更高、處理能力更強、可靠性更高、也有很好的擴展性。
但是，分布式解決了網站的高並發問題的同時也帶來了一些其他問題。
首先，分布式的必要條件就是網絡，這可能對性能甚至服務能力造成一定的影響。其次，一個集群中的服務器數量越多，服務器宕機的概率也就越大。另外，由於服務在集群中分布式部署，用戶的請求只會落到其中一台機器上，所以，一旦處理不好就很容易產生數據一致性問題。
1.3. 分布式存在的異常
1、通信異常：網絡不可用（消息延遲或者丟失），會導致分布式系統內部無法順利進行網絡通信，所以可能造成多個節點數據丟失和狀態不一致，還有可能造成數據亂序。
2、網絡分區：網絡不連通，但各個子網絡的內部網絡是正常的，從而導致整個系統的網絡環境被切分成若干個孤立的區域，分布式系統就出現了局部小集群造成的數據不一致。
3、節點故障：服務器節點出現的宕機的現象。
4、存儲數據丟失：對於有狀態節點來說，數據丟失意味着狀態丟失，通常只能從其他節點讀取、恢復存儲的狀態。解決方案：利用多副本機制。
1.4. 衡量分布式系統的性能指標
1、性能：這是一個非常讓人頭疼的問題，追求高吞吐的系統，往往很難做到低延遲；系統平均響應時間較長時，也很難提高QPS。
系統的吞吐能力，指系統在某一時間可以處理的數據總量，通常可以用系統每秒處理的總數據量來衡量； 系統的響應延遲，指系統完成某一功能需要使用的時間； 系統的並發能力，指系統可以同時完成某一功能的能力，通常也用QPS來衡量。
2、可用性：系統的可用性(availability)指系統在面對各種異常時可以正確提供服務的能力。可用性是分布式的重要指標，衡量了系統的魯棒性，是系統容錯能力的體現。
3、可擴展性：系統的可擴展性(scalability)指分布式系統通過擴展集群機器規模提高系統性能（吞吐、延遲、並發）、存儲容量、計算能力的特性。
4、一致性：分布式系統為了提高可用性，總是不可避免地使用副本的機制，從而引發副本一致性的問題。
例如，就是一份數據存在分布式系統，存在多個不同的節點當中存着相同的數據。如果多個不同的節點存的數據不一樣，多個客戶端去訪問的時候就會存在這種情況，第1個客戶端去訪問的結果為A，第2個客戶端訪問的結果為B，兩個客戶端訪問得到不同的結果，那就是一致性做的不好。
說了這么多，我們如果設計一個優秀的分布式系統，它應該具有這些特點：吞吐高、響應延遲低、並發強、可用性很高、可擴展性很強、一致性很好。但並不是每個特點都能滿足，有幾個特點是相互矛盾的，需要我們想辦法克服！
而在分布式場景中真正復雜的是數據一致性的問題！
1.5. 一致性理解
一致性也分很多種，這里說說老劉了解的三個。
強一致性：寫操作完成之后，讀操作一定能讀到最新數據。通俗地講就是客戶端只要把結果寫進去了，什么時候訪問都能拿到最新的數據。但是在分布式場景中很難實現，后續的Paxos 算法，Quorum 機制，ZAB 協議等能實現！
弱一致性：不保證拿到最新的數據，也有可能拿到舊的數據。
最終一致性：不考慮中間的任何狀態，只保證經過一段時間之后，最終系統內數據正確。在高並發場景中，它也是使用最廣的一致性模型。
1.6. 分布式一致性的作用
說了那么多分布式一致性的內容，那它的作用是什么呢？
1、為了提高系統的可用性，一般都會使用多副本機制，多副本就會有分布式一致性的問題，它就是為了提高系統的可用性，防止單點節點故障引起的系統不可用。
2、提高系統的整體性能，數據分布在集群中多個節點上，它們都能為用戶提供服務。
老劉說了這么多，大家有沒有猜到想引出什么內容呢？
上述那么多內容只為引出分布式系統的數據一致性問題！我們用來解決分布式系統的數據一致性問題的方案有如下：
分布式事務+事務 分布式一致性算法 Quorum機制 CAP和BASE理論
2. 分布式事務
分布式系統中，每個節點都能知道自己的事務操作是否成功，但是沒法知道系統中的其他節點的事務是否成功。這就有可能會造成分布式系統中的各節點的狀態出現不一致。因此當一個事務需要跨越服務器節點，並且要保證事務的ACID特性時，就必須引入一個協調者的角色。那么其他的各個進行事務操作的節點就都叫做參與者。
現實生活中有兩種典型的分布式事務的提交模式：2PC和3PC。
2.1. 2PC提交過程
直接上圖：
我讓A去做一件事，讓B去做另外一件事，並且這兩件事在一個分布式事務中要保證同時成功或失敗。那如何做到數據一致呢？
2PC分兩個階段： 第一階段：執行事務，但不提交。 第二階段：當協調者收到第一階段中所有事務參與者的正反饋時(事務都執行成功了)， 就去發命令讓所有參與者提交事務。
2.2. 2PC的問題
看了2PC的兩個提交階段和圖，有經驗的人一眼就會看出里面存在的問題。
1 阻塞問題
協調者發送命令給參與者，由於是網路發送命令，就會存在不同參與者收到的命令有先后、有延遲。例如參與者A很快就收到了，參與者B網絡有問題，過了很久才收到命令。參與者A很快處理完發送反饋， 而參與者B就很久之后才發送反饋，導致協調者等待時間特別長。 這就是一個非常典型的阻塞問題，非常浪費資源，影響性能！
2 沒有容錯機制，存在單點故障問題
事務協調者是整個分布式事務的核心，一旦協調者出現故障，看看上面那張圖，就會知道參與者就收不到 commit/rollback的通知，從而導致參與者節點一直處於事務無法完成的中間狀態。
3 數據不一致
在第二階段，如果發生局部網絡問題，一個參與者收到提交的命令，另一個參與者沒有收到提交的命令， 就會造成節點間數據不一致。
2.3. 3PC
3PC就是三階段提交的意思，它是2階段提交的改進版，把二階段提交協議的 "提交事務請求" 一分為二，形成了cancommit，precommit，docommit 三個階段。
除了在 2PC 的基礎上增加了CanCommit階段，還引入了超時機制。一旦事務參與者在指定時間內沒有收到協調者的 commit/rollback 指令，就會自動本地 commit，這樣可以解決協調者單點故障的問題。
2.4. 執行過程解析
第一階段：CanCommit階段
在第一階段准備的時候，先問一下各個參與者是否可以進行事務操作以及超時機制，參與者在一定時間沒 收到協調者的指令會自動提交。
第二階段：PreCommit階段
1、如果每個參與者返回的都是同意，協調者則向所有參與者發送預提交請求，並進入預提交階段； 2、參與者收到預提交請求后，執行事務操作。 3、參與者執行完本地事務之后，會向協調者發出Ack表示已准備好提交，並等待協調者下一步指令。 4、如果協調者收到預提交響應為拒絕或者超時，則執行中斷事務操作，通知各參與者中斷事務。 5、參與者收到中斷事務或者等待超時，都會主動中斷事務/直接提交
第三階段：doCommit階段
1、協調者收到所有參與 的Ack，則從預提交入提交段，並向各參與者發送提交請求。 2、參與者收到提交請求，正式提交事務（commit），並向協調者反饋提交結果Y/N。 3、協調者收到所有反饋消息，完成分布式事務。 4、如果協調者超時沒有收到反饋，則發送中斷事務指令。 5、參與者收到中斷事務指令后，利用事務日志進行rollback。 6、參與者反饋回滾結果，協調者接收反饋結果或者超時，完成中斷事務。
2.5. 3PC的問題
3PC也可能出現數據不一致，第三階段讓所有參與者回滾事務，但有一個參與者在規定的時間內沒有收到，它會默認進行提交操作，就會出現數據不一致。由於網絡問題，第二階段到第三階段之間特別容易出現數據不一致問題。
3. 分布式一致性算法
在2PC和3PC的原理上，優秀的開發者們實現了分布式一致性算法，這里老劉先大致講講Poxos算法和ZAB協議的相關概念。如果想詳細了解Paxos算法和ZAB協議，等老劉找完工作后，專門寫一篇Zookeeper源碼文章。
3.1. Paxos算法
Paxos 算法使用一個希臘故事來描述，在 Paxos 中，存在三種角色，分別為
1、Proposer(提議者，用來發出提案proposal), 2、Acceptor(接受者，可以接受或拒絕提案), 3、Learner(學習者，學習被選定的提案，當提案被超過半數的Acceptor接受后為被批准)。
映射到 zookeeper 集群：
leader：發起提案 主席（單點故障的解決辦法是leader選舉機制） follower：參與投票 人大代表 observer：被動接受 全國所有人
以及有一個特別出名的機制：議會制
保證超過半數達成一致性即可的協議
總結下Paxos算法，它就是所有事務請求必須由一個全局唯一的服務器來協調處理，這樣的服務器被稱為 leader 服務器，而余下的其他服務器則成為 follower 服務器。
leader 服務器負責將一個客戶端事務請求轉換成一個事務proposal，並將該 proposal 分發給集群中所有的follower 服務器。之后 leader 服務器需要等待所有follower 服務器的反饋，一旦超過半數的 follower 服務器進行了正確的反饋后，那么 leader 就會再次向所有的 follower 服務器分發 commit 消息，要求其將前一個 proposal 進行提交。
3.2. ZAB協議
ZooKeeper的底層工作機制，就是依靠 ZAB 實現的。它實現了崩潰回復和消息廣播兩個主要功能。
ZAB協議保證數據一致性的兩個重要特點就是：
1、ZAB協議需要確保那些已經在 leader 服務器上提交的事務最終被所有服務器都提交。
2、ZAB協議需要確保丟棄那些只在 leader 服務器上被提出的事務。
為了解決單點故障，有leader選舉算法。在leader選舉中，如果讓 leader 選舉算法能夠保證新選舉出來的 leader 服務器擁有集群中所有機器最高事務編號（ZXID）的事務proposal，那么就可以保證這個新選舉出來的 leader 一定具有所有已經提交的提案。
因為事務的每次執行都會有一個編號，最高事務編號代表着最新的事務，即最新的數據。 根據上述ZAB協議內容，ZooKeeper實現了分布式系統數據的一致性！
4. 鴿巢原理
簡單描述：若有n個籠子和n+1只鴿子，所有的鴿子都被關在鴿籠里，那么至少有一個籠子有至少2只鴿子 。
5. Quorum NWR機制
Quorum NWR：Quorum 機制是分布式場景中常用的，用來保證數據安全，並且在分布式環境中實現最終一致性的投票算法。這種算法的主要原理來源於鴿巢原理。它最大的優勢，既能實現強一致性，而且還能自定義一致性級別！
N：總節點數
W：總寫入成功數
R：總讀取數
當W+R>N時，一定能保證讀到最新的數據，即強一致性！ 為什么這樣說？
如上圖，有4個箱子，3個箱子里面有東西，那如何保證一定能拿到有數據的箱子？最起碼拿2個箱子就能拿到有東西的箱子！
就是利用這種原理，只要保證（W + R > N）就一定能讀取到最新的數據，數據一致性級別完全可以根據讀寫副本數的約束來達到強一致性！
那現在分以下三種情況討論：前提是N已經確定不改了！
W = 1， R = N，Write Once Read All
在分布式環境中，寫一份，相當於只有只有一個箱子有東西，那么如果要讀取到最新數據，即拿到有東西的箱子，就必須要讀取所有節點，然后取最新版本的值了。寫操作高效，但是讀操作效率低。一致性高，但分區容錯性差，可用性低。
W = N，R = 1， Read Only Write All
在分布式環境中，所有節點都同步完畢，才能讀取，所以只要讀取任意一個節點就可以讀取到最新數據。讀操作高效，但是寫操作效率低。分區容錯性好，一致性差，實現難度更高，可用性高 。
W = Q, R = Q where Q = N/2 + 1
可以簡單理解為寫超過一半節點，那么讀也超過一半節點，取得讀寫性能平衡。一般應用適用，讀寫性能之間取得平衡。如 N=3, W=2, R=2，分區容錯性，可用性，一致性取得一個平衡。
ZooKeeper就是這么干的！采用了第三種情況！
6. CAP理論
根據上述說的，做到強一致性了，就難做到高可用，兩者是非常矛盾的。所以CAP理論就告訴我們，一個分布式系統不可能同時滿足C，A，P三個需求。
C：Consistency，強一致性
分布式環境中多個數據副本保持一致
A：Availability，高可用性
系統提供的服務必須一直處於可用，對於用戶的每一個操作請求總是能在有限時間內返回結果
P：Partiton Tolerance 分區容錯性
分布式系統在遇到任何網絡分區故障時，仍然需要能夠保證對外提供滿足一致性和可用性的服務
既然一個分布式系統不能同時滿足C，A，P三個需求，那么如何選擇？
CAP只能3選2，因為在分布式系統中，容錯性P肯定是必須有的，所以這時候無非就兩種情況，網絡問題導致要么錯誤返回，要么阻塞等待，前者犧牲了一致性，后者犧牲了可用性。
對於單機軟件，因為不同考慮P，所以肯定是CA型，比如MySQL。
對於分布式軟件，因為一定會考慮P，所以又不能兼顧A和C的情況下，只能在A和C做權衡，比如HBase、Redis等。做到服務基本可用，並且數據最終一致性即可。 所以，就產生了BASE理論。
7. BASE理論
多數情況下，其實我們也並非一定要求強一致性，部分業務可以容忍一定程度的延遲一致，所以為了兼顧效率，發展出來了最終一致性理論 BASE，它的核心思想是：即使無法做到強一致性，但每個應用都可以根據自身業務特點，采用適當的方式來使系統達到最終一致性。
一句話就是做事別走極端，BASE 是對 CAP 理論中的 C 和 A 進行權衡得到的結果。
BASE理論做到的不是強一致，而是最終一致；不是高可用，而是基本可用。
Basically Available（基本可用）：基本可用是指分布式系統在出現故障的時候，允許損失部分可用性，保證核心可用。 例如：淘寶雙11，為保護系統穩定性，正常下單，其他邊緣服務可暫時不可用。
Eventually Consistent（最終一致）：最終一致性是指系統中的所有數據副本經過一定時間后，最終能夠達到一致的狀態。
以后開發分布式系統，就可以根據業務來決定到底追求高可用還是追求強一致性！
8. 總結
好啦，分布式系統的數據一致性問題大致聊得差不多了，老劉主要給大家講了講分布式系統一致性的背景以及實現。盡管當前水平可能不及各位大佬，但老劉還是希望能夠變得更加優秀，能夠幫助更多自學編程的伙伴。
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