此文來(lái)自于：《從Paxos到Zookeeper分布式一致性原理與實(shí)踐》第一章
集中式->分布式演變基礎(chǔ)知識(shí)

1. 從集中式到分布式

1.1 集中式的特點(diǎn)

所謂的集中式系統(tǒng)就是指由一臺(tái)或多臺(tái)主計(jì)算機(jī)組成中心節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)于這個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，并且整個(gè)系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)單元都部署在這個(gè)中心節(jié)點(diǎn)上，
系統(tǒng)的所有功能均由其集中處理。也就是說(shuō)，在集中式系統(tǒng)中，每個(gè)終端或客戶端機(jī)器僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的錄入和輸出，而數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與控制處理完全
交由主機(jī)來(lái)完成。

最大的特點(diǎn)就是部署結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于集中式系統(tǒng)往往基于底層性能卓越的大型主機(jī)，因此無(wú)須考慮如何對(duì)服務(wù)進(jìn)行多個(gè)節(jié)點(diǎn)的部署，也就不用考慮多個(gè)
節(jié)點(diǎn)之間的分布式協(xié)作問(wèn)題。

1.2 分布式的特點(diǎn)

分布式系統(tǒng)是一個(gè)硬件或者軟件組成分布在不同的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算上，彼此之間僅僅通過(guò)消息傳遞進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分布式系統(tǒng)在沒(méi)有任何特定業(yè)務(wù)邏輯約束的情況下，都會(huì)有如下幾個(gè)特征：

• 分布性：分布式系統(tǒng)中的多臺(tái)計(jì)算機(jī)在空間上隨意分布。
• 對(duì)等性：分布式系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)沒(méi)有主/從之分，既沒(méi)有控制整個(gè)系統(tǒng)的主機(jī)，也沒(méi)有被控制的從機(jī)，組成分布式系統(tǒng)的所有計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的。
  副本（Replica）是分布式系統(tǒng)最常見(jiàn)的概念之一，指的是分布式系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)和服務(wù)提供一種冗余方式。在常見(jiàn)的分布式系統(tǒng)中，為了對(duì)外提供高可用的服務(wù)，
  我們往往會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)和服務(wù)進(jìn)行副本處理。不同的節(jié)點(diǎn)上持久化同一份數(shù)據(jù)，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)丟失時(shí)，可以從副本上讀取到該數(shù)據(jù)，另一類(lèi)副本是
  服務(wù)副本，指多個(gè)節(jié)點(diǎn)提供同樣的服務(wù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有能力接收來(lái)自外部的請(qǐng)求并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
• 并發(fā)性：同一個(gè)分布式系統(tǒng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，可能會(huì)并發(fā)地操作一些共享的資源，諸如數(shù)據(jù)庫(kù)或分布式存儲(chǔ)等，如何準(zhǔn)確并高效地協(xié)調(diào)分布式并發(fā)操作也成為了分布式
  系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)之一。
• 缺乏全局時(shí)鐘：一個(gè)典型的分布式系統(tǒng)是由一系列在空間上隨意分布的多個(gè)進(jìn)程組成的，具有明顯的分布性，這些進(jìn)程之間通過(guò)交換下次來(lái)進(jìn)行相互通信。
  因此，在分布式系統(tǒng)中，很難定義兩個(gè)時(shí)間的順序，原因就是因?yàn)榉植际较到y(tǒng)缺乏一個(gè)全局的時(shí)鐘序列控制。
• 故障總是會(huì)發(fā)生：組成分布式系統(tǒng)的所有計(jì)算機(jī)，都有可能發(fā)生任何形式的故障。任何在設(shè)計(jì)階段考慮到的異常情況，一定會(huì)在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生！

1.3 分布式環(huán)境的各種問(wèn)題

1.3.1 通信異常

分布式引入了網(wǎng)絡(luò)因素，而由于網(wǎng)絡(luò)本身的不可靠性，因此每次網(wǎng)絡(luò)通信都會(huì)伴隨網(wǎng)絡(luò)不可用的風(fēng)險(xiǎn)，網(wǎng)絡(luò)光纖、路由器和DNS等。因此消息丟失和消息延遲變得非常普遍。

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)分區(qū)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)由于發(fā)生異常情況，導(dǎo)致分布式系統(tǒng)中部分節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不斷增大，最終導(dǎo)致組成分布式系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)中，只有部分節(jié)點(diǎn)之間能夠正常通信，
而另一些節(jié)點(diǎn)則不能——我們將這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)分區(qū)。網(wǎng)絡(luò)分區(qū)出現(xiàn)時(shí)，分布式系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)局部小集群，在極端情況下，這些局部小集群會(huì)獨(dú)立完成原本
需要整個(gè)分布式系統(tǒng)才能完成的功能，包括對(duì)數(shù)據(jù)的事務(wù)處理，這就對(duì)分布式一致性提出了非常大的挑戰(zhàn)（某個(gè)復(fù)雜業(yè)務(wù)原本需要多個(gè)機(jī)器完成，現(xiàn)在被一個(gè)機(jī)器
執(zhí)行）。

1.3.3 三態(tài)

分布式系統(tǒng)的每一次請(qǐng)求與響應(yīng)，存在特有的“三態(tài)”概念，即成功、失敗與超時(shí)。超時(shí)的現(xiàn)象，通常有以下兩種情況：

• 由于網(wǎng)絡(luò)原因，請(qǐng)求并沒(méi)有被成功地發(fā)送到接收方，在發(fā)送過(guò)程就發(fā)生了消息丟失現(xiàn)象。
• 請(qǐng)求成功的被接收方接收后，并進(jìn)行了處理，但是在將響應(yīng)反饋給發(fā)送方的過(guò)程中，發(fā)生了消息丟失現(xiàn)象。（rabitMQ的解決方案是，消費(fèi)者（接收方）開(kāi)始處理消息前發(fā)送響應(yīng)A，
  消費(fèi)者（接收方）處理完成消息后發(fā)送響應(yīng)B，生產(chǎn)者（發(fā)送方）必須得到AB兩個(gè)響應(yīng)才能確定消息成功被處理了）

2. 從ACID到CAP/BASE

2.1 ACID

事務(wù)（Transaction）是由一系列對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)與更新的操作所組成的一個(gè)程序執(zhí)行邏輯單元（Unit）。

2.1.1 原子性（Atomicity）

要么全部成功執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。

2.1.2 一致性（Consistency）

事務(wù)的運(yùn)行被迫中斷時(shí)，這些未完成的事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)所做的修改有一部分已寫(xiě)入物理數(shù)據(jù)庫(kù)，這時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)就處于不一致的狀態(tài)。

2.1.3 隔離性（Isolation）

并發(fā)的事務(wù)是相互隔離的，一個(gè)事務(wù)的執(zhí)行不能被其他事務(wù)干擾。SQL規(guī)范定義了4個(gè)事務(wù)隔離級(jí)別：

• 讀未提交（Read Uncommitted）：A事務(wù)更新過(guò)程中，從1更新到10，B事務(wù)能獲取過(guò)程中間值，獲取到2，3等值。（臟讀）
• 讀已提交（Read Committed）：A事務(wù)更新過(guò)程中，從1更新到10，B事務(wù)只能獲取最終的值10。
• 可重復(fù)讀（Repeatable Read）：A事務(wù)更新過(guò)程中，從1更新到10，B事務(wù)先獲取了1，后來(lái)B事務(wù)中有個(gè)操作重新獲取了一次值為10。（幻影讀）
• 串行化（Serializable）：事務(wù)只能串行執(zhí)行，不能并發(fā)。

2.1.4 持久性（Durability）

事務(wù)一旦提交，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的狀態(tài)變更就應(yīng)該被永久保存下來(lái)。

2.1 分布式事務(wù)

設(shè)想一個(gè)最典型的分布式事務(wù)場(chǎng)景：一個(gè)跨銀行的轉(zhuǎn)賬操作涉及調(diào)用兩個(gè)異地的銀行服務(wù)，其中一個(gè)是本地銀行提供的取款服務(wù)，另一個(gè)則是目標(biāo)銀行提供的存款
服務(wù)，這兩個(gè)服務(wù)本身是無(wú)狀態(tài)并且是互相獨(dú)立的，共同構(gòu)成了一個(gè)完整的分布式事務(wù)。如果從本地銀行取款成功，但是因?yàn)槟撤N原因存款服務(wù)失敗了，那么
就必須回滾到取款前的狀態(tài)，否則用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的錢(qián)不翼而飛了。

我們可以看到，一個(gè)分布式事務(wù)可以看作是由多個(gè)分布式的操作序列組成的，例如上面例子中的取款服務(wù)和存款服務(wù)，通常可以把這一系列分布式的操作序列稱(chēng)為
子事務(wù)。因?yàn)椋植际绞聞?wù)也可以被定義為一種嵌套型的事務(wù)，同時(shí)也就具有了ACID事務(wù)特性。但由于在分布式事務(wù)中，各個(gè)子事務(wù)的執(zhí)行時(shí)分布式的，
因此要實(shí)現(xiàn)一種能夠保證ACID特性的分布式事務(wù)處理系統(tǒng)就顯得格外復(fù)雜。

2.3 CAP和BASE理論

ACID是屬于單機(jī)系統(tǒng)的理論，分布式有屬于自己的理論，即CAP和BASE。

2.3.1 CAP定理

一個(gè)分布式系統(tǒng)不可能同時(shí)滿足一致性（Consistency）、可用性（Availability）、分區(qū)容錯(cuò)性（Partition tolerance）這三個(gè)基本需求，最多只能同時(shí)
滿足其中的兩項(xiàng)。

.1 Consistency

在分布式環(huán)境下，數(shù)據(jù)在多個(gè)副本之間是否能夠保持一致性，當(dāng)某個(gè)副本執(zhí)行更新操作后，應(yīng)該保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)仍然處于一致的狀態(tài)。如果做到一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的更新
操作執(zhí)行成功后，所有的用戶都可以讀取到最新的值，那么這樣的系統(tǒng)就被認(rèn)為具有強(qiáng)一致性。

.2 Availability

對(duì)于用戶的每一個(gè)操作請(qǐng)求總是能夠在有限的時(shí)間內(nèi)返回結(jié)果。劃重點(diǎn)：有限的時(shí)間內(nèi)、返回結(jié)果。

• 有限的時(shí)間內(nèi)：對(duì)于用戶的一個(gè)艸做請(qǐng)求，系統(tǒng)必須能夠在指定的時(shí)間內(nèi)返回對(duì)應(yīng)的處理結(jié)果，如果超過(guò)了這個(gè)時(shí)間范圍，那么系統(tǒng)就被認(rèn)為是不可用的。
  比如，對(duì)于一個(gè)在線搜索引擎來(lái)說(shuō)，通常在0.5秒內(nèi)需要給出用戶搜索關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)的檢索結(jié)果，而對(duì)于一個(gè)面向HIVE的海量數(shù)據(jù)查詢平臺(tái)來(lái)說(shuō)，正常一次數(shù)據(jù)
  檢索時(shí)間可能在20秒，這是正常的，系統(tǒng)必須存在一個(gè)合理的響應(yīng)時(shí)間。
• 返回結(jié)果：要求系統(tǒng)在完成堆用戶請(qǐng)求的處理后，返回一個(gè)正常的結(jié)果，而不是返回系統(tǒng)錯(cuò)誤。

.3 Partition tolerance

分布式系統(tǒng)在遇到任何網(wǎng)絡(luò)分區(qū)故障的時(shí)候（節(jié)點(diǎn)間的故障），仍然需要保證對(duì)外提供滿足一致性和可用性的服務(wù)，除非整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生了故障。

.4 總結(jié)

• AC：所有的數(shù)據(jù)都放在一個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)上。（談什么分布式？）
• PC：系統(tǒng)正在維修，請(qǐng)等待。（要么可用，要么直接不能訪問(wèn)）
• AP：放棄數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性，保留數(shù)據(jù)額最終一致性。（雙11xx商品正在被5126人瀏覽，可能每個(gè)人看到的數(shù)字都不一樣，但是系統(tǒng)最終會(huì)讓所有人看到一樣的數(shù)字）

2.3.2 BASE理論

基于CAP定理結(jié)合實(shí)際演化而來(lái)，即Basically Available（基本可用）、Soft state（軟狀態(tài)）、Eventually consistency（最終一致性）。

.1 Basically Available

分布式在出現(xiàn)不可預(yù)知故障的時(shí)候，允許損失部分可用性：

• 響應(yīng)時(shí)間上的損失：搜索正常是0.5秒返回用戶，出現(xiàn)故障變成2秒。
• 功能上的損失：網(wǎng)上購(gòu)物在雙11時(shí)選擇購(gòu)買(mǎi)可能會(huì)跳轉(zhuǎn)到排隊(duì)頁(yè)面。

.2 Soft state

允許系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存在中間狀態(tài)，并認(rèn)為該中間狀態(tài)的存在不會(huì)影響系統(tǒng)的整體可用性，即允許系統(tǒng)在不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)副本之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步的過(guò)程存在延時(shí)。

.3 Eventually consistency

強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)最終數(shù)據(jù)能夠達(dá)到一致，而不需要實(shí)時(shí)保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性。
在實(shí)際工程實(shí)踐中，最終一致性存在以下五類(lèi)主要變種。

.3.1 因果一致性（Causal consistency）

進(jìn)程A更新完某個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)后通知了進(jìn)程B，那么進(jìn)程B之后對(duì)該數(shù)據(jù)的訪問(wèn)都應(yīng)該能夠獲取到進(jìn)程A更新后的最新紙，并且如果進(jìn)程B要對(duì)該數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行更新操作的話，
務(wù)必基于進(jìn)程A更新后的最新值。而進(jìn)程C的數(shù)據(jù)訪問(wèn)則沒(méi)有這樣的限制。

.3.2 讀己之所寫(xiě)（Read your writes）

進(jìn)程A更新了一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，它自己總是能夠訪問(wèn)到更新過(guò)的最新值。特殊的因果一致性（A進(jìn)程通知了A進(jìn)程）。

.3.3 會(huì)話一致性（Session consistency）

系統(tǒng)能保證在同一個(gè)有效的會(huì)話中實(shí)現(xiàn)“讀己之所寫(xiě)”的一致性，即客戶端能夠在同一繪畫(huà)中始終讀取到該數(shù)據(jù)項(xiàng)的最新值。

.3.4 單調(diào)讀一致性（Monotonic read consistency）

如果一個(gè)進(jìn)程從系統(tǒng)讀取出一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的某個(gè)值后，那么系統(tǒng)對(duì)于該進(jìn)程后續(xù)的任何數(shù)據(jù)訪問(wèn)都不應(yīng)該返回更舊的值。

.3.5 單調(diào)寫(xiě)一致性（Monotonic write consistency）

系統(tǒng)保證來(lái)自同一個(gè)進(jìn)程的寫(xiě)操作被順序地執(zhí)行。

.3.6 總結(jié)

最終一致性并不是只有那些大型分布式系統(tǒng)才涉及的特性，許多關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)都采用了最終一致性模型，采用同步和異步方式來(lái)實(shí)現(xiàn)主備數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)。

• 在同步方式中，數(shù)據(jù)的復(fù)制過(guò)程通常是更新事務(wù)的一部分，因此在書(shū)屋完成后，主備數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)就會(huì)達(dá)到一致。
• 在異步方式中，備庫(kù)的更新往往會(huì)存在延時(shí)，這取決于事務(wù)日志在主備數(shù)據(jù)庫(kù)之間傳輸?shù)臅r(shí)間長(zhǎng)達(dá)，如果傳輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者甚至在日志傳輸過(guò)程中出現(xiàn)異常導(dǎo)致
  無(wú)法及時(shí)將事務(wù)應(yīng)用到備庫(kù)上，那么很顯然，從備庫(kù)讀取的數(shù)據(jù)將是舊的，就出現(xiàn)了數(shù)據(jù)不一致的情況。

但是，無(wú)論采用重試、人為修正，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)還是能夠保證最終數(shù)據(jù)達(dá)到一致性——這就是系統(tǒng)提供最終一致性保證的經(jīng)典案例。

總的來(lái)說(shuō)，BASE理論面向大型高可用可擴(kuò)展的分布式系統(tǒng)，和傳統(tǒng)事務(wù)的ACID特性是相反的，不同于ACID的強(qiáng)一致性模型，而是通過(guò)強(qiáng)一致性和高可用性的
平衡，最終達(dá)到一致性。因此在具體的分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，ACID和BASE理論往往會(huì)結(jié)合一起使用用來(lái)面對(duì)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景的要求。

3. 小結(jié)

分布式架構(gòu)發(fā)展過(guò)程中的ACID->CAP->BASE等分布式事務(wù)與一致性方面的經(jīng)典理論。