Zookeeper全解析——Paxos作为灵魂

2021-11-23 From 博客园 By 少年努力吧
<p> 那么ZK Server最基础的东西是什么呢?我想应该是Paxos了。所以本文会介绍Paxos以及它在ZK Server中对应的实现p> <p> 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,近几年被广泛用于分布式计算中,Google的Chubby,ApacheZookeeper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。 p> <p> 关于Paxos的具体描述可以在Wiki中找到:http://zh.wikipedia.org/zh-cn/Paxos算法。网上关于Paxos分析文章也很多。这里希望用最简单的方式加以描述并建立起Paxos和ZK Server的对应关系。 p> <p> 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。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。每个提议都需要超过半数((Senator Count)/2 +1)的议员同意才能生效。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。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。 p> <p> 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。 p> <p> 现在看冲突的解决: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。 p> <p> 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。 p> <p> 小岛(Island)——ZK Server Cluster p> <p> 议员(Senator)——ZK Server p> <p> 提议(Proposal)——ZNode Change(Create/Delete/SetData…) p> <p> 提议编号(PID)——Zxid(ZooKeeper Transaction Id) p> <p> 正式法令——所有ZNode及其数据 p> <p> 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ZK Server好像有一个Leader概念。没错,其实Leader概念应该属于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。 p> <p> 总统——ZK Server Leader p> <p> 又一个问题产生了,总统怎么选出来的?oh, my god! It’s a long story. 在淘宝核心系统团队的Blog上面有一篇文章介绍如何选出总统的,有兴趣的可以去看看:http://rdc.taobao.com/blog/cs/?p=162 p> <p> 现在我们假设总统已经选好了,下面看看ZK Server是怎么实施的。 p> <p> 情况一: p> <p> 屁民甲(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Sync一下再告诉你。 p> <p> 情况二: p> <p> 屁民乙(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)。 p> <p> 情况三: p> <p> 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p> <p> 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ZK Server还有很多属于自己特性的东西:Session, Watcher,Version等等等等,需要我们花更多的时间研究学习p>

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