你是否真的理解分布式中的一致性与共识

为了解决单节点存储瓶颈、访问耗时、单点故障等问题，通常将数据存储到多个节点，称之为分布式技术。分布式不仅可以将负载分散、还可以避免单点故障、降低延时。然而，分布式也引入了额外的问题：网络中的数据可能会丢失、重新排序、重新推送或任意延迟；不同节点的时钟漂移；节点的暂停或崩溃。

解决分布式问题的最好方式是找到一些通用的抽象，实现一次，然后依赖这些保证。就像事务一样，通过使用事务，应用程序不用去关心多个操作出现部分成功部分失败的问题「原子性 」、数据写入约束问题「一致性 」、多个客户端并发访问题「隔离性 」、存入的数据丢失问题「持久性」。即使数据执行期间发生了崩溃、冲突和磁盘故障，事务隐藏了这些问题，应用程序不用关心。

分布式系统中最重要的抽象就是共识：就是让所有节点对某一件事达成一致。一旦达成共识，应用程序就可以忽略许多问题。例如：在单主复制的场景中，如果主库宕机，剩余的节点可以使用共识算法来选举新的领导者。从而避免同时有两个节点都认为自己是领导者，造成的脑裂问题。在分区数据库中，为了保证事务的原子性，则需要涉及一个事务的多个节点就事务的提交而达成共识。

一致性与共识的关系

在开始讨论共识算法之前，不得不讨论一下一致性的问题。上面说到，共识就是让所有节点对某一件事达成一致 。而一致性是指多个节点，给定一系列操作，在约定协议的保障下，使它们对外界呈现的状态是一致的。一致性描述的是结果状态，即多个节点对外界呈现的状态；共识是一种机制/算法，描述的是过程，即如何实现多个节点的一致性。

一致性

一致性是指多个节点，给定一系列操作，在预定协议的保障下，对外界呈现的状态。在实际实现中，会对一致性进行分类。按照系统的容忍度，可以将一致性分为：最终一致性、因果一致性、顺序一致性、线性一致性「强一致性」。其实和事务的隔离级别一样，均是出于对性能的考虑，分为不同级别，从而提升性能。

最终一致性

最终一致性，也叫弱一致性。分布式中的各个节点，在停止操作的一段时间后，各个节点的数据是完全相同的。简单来说，就是一段时间后，节点的数据会达到最终一致的状态。

大多数异步复制的数据库只能保证最终一致性。如下图所示，用户更新头像之后，需要过一段时间，两个从库才能达到和主库一致的状状态。

最终一致性的实现方式比较简单。例如在 msyql 中，从库往往选择监听主库的 binlog，对数据回放，从而保证最终一致性。最终一致性带来的问题是，不同节点之间达成完全一致状态的时间是不能确定的，可能是几毫秒，也可能是分钟，这往往会导致写入的数据不能被及时查到。

单调读

单调读是一个比最终一致性更强的保证。即保证用户的多次读取，不会发生读取新值之后又读到旧值的情况。

如下图所示，在满足最终一致性的前提下，仍然会有业务异常。即 user:2345 看到 user 1234 回复的消息。但是再次刷新却看不到了回复的消息。常见的解决方案就是保证同一个 user 读取的节点是固定的。

因果一致性

因果一致性是一个比单调读更强的保证。对于一些列按照某个顺序的写请求，那么读取这些内容时也会按照写入的顺序呈现。不会出现后写入的数据先被读到的现象。

如下图所示，在一个分区的场景中。由于不同节点之间的网络延时不固定，导致 observer 看到的消息是先有 Cake 的回复，再有 Poons 的问题。从而造成业务异常。常见的方案是将因果关系的写入路由到同一个分区，从而保证因果顺序。

顺序一致性

顺序一致性是比因果一致性更强的保证 ，即执行结果符合每个用户按顺序执行的结果。

为了方便介绍，采用用户视角，而不是数据库视角。每一个柱都是由数据库发出的请求，柱头是请求的发送时刻，柱尾是客户端收到响应的时刻。因为客户端和数据之间通信存在网络延时，并不知道数据库处理请求的具体时间。在顺序一致性的保证下， A 和 B 会收到什么响应：

• A 的第一次读操作，完成于写操作之前，返回 0。
• A 的最后一个读操作，完成于写之后，返回 1。因为写操作一定在收到响应之后处理完成，而读操作发生在响应之后，因此必须看到新写入的值。
• 在写操作时间上重叠的任何操作「A 的第二次读， B 的两次读」，可能会返回 0 或 1。这些操作是并发的，并不知道数据库执行的顺序。即可能出现 A 第二次读到 1，B 第二次读到 0 的现象。

线性一致性

线性一致性，是最强的保证。它使多个节点看起来好像只有一个节点，而且所有操作都是原子的。

在上面顺序一致性的例子中，由于在写操作时间上重叠，A 的第二次读可能返回 1， B 的第二次读可能返回 0。它违背了线性一致性的约束，即永远读到数据的最新值「由于 A 已经读到了 1，意味后续系统应该返回最新值 1」。如下图所示，A 读到 1 之后的后续所有读取都应该为 1。从而保证数据永远读取到的是最新值。

CAP 定理

线性一致性看起来是那么的完美，应用程序可以像使用单体数据库一样使用分布式数据库。但带来的问题是严重的性能开销。

在分布式系统中，通常认为系统无法同时满足 CAP 特性，也叫 CAP 定理：

• Consistency「一致性」：这里指的是强一致性。即分布式系统对外表现好像只有一个副本一样，写入的数据可以立即读到。
• Availability「可用性」：对于每次请求，系统都能在一定时间内给予响应。响应的不一定是最新的数据。
• Partition tolerance「分区容错性」： 系统在网络分区（即网络通信的中断）发生时，仍然能够保持系统的正常运行。

在 CAP 定理中，分布式系统无法满足这三种特性。意味着要么牺牲一致性，搭建一个 AP 系统；要么牺牲可用性，搭建 CP 系统。

如下图所示，是一个具有两个数据中心的架构。考虑一种情况，每个数据中心可以正常提供服务，只是数据中心之间的网络发生中断。

• 为了保证一致性，请求到从库的客户端将不可用。需要等待网络恢复时，数据中心才能提供服务。即牺牲了可用性。
• 为了保证请求到从库的客户端能够正常响应「可用性」，则需要牺牲强一致性，即写入主库的数据不能被立马读到。网络恢复后，两个数据中心会达到最终一致。

遗憾的是，在分布式场景下，网络故障肯定是存在的，这是受到物理规律的限制。也就意味着，在分布式系统中，一定要满足分区容错性。在此前提下，可以考虑满足一致性还是可用性。CAP 定理的要求似乎太过于严格。它只考虑了强一致性和网络分区，对于最终一致性和网络延迟、节点故障并没有进行讨论。CAP 定理似乎对于设计并实现一个分布式系统并没有太大的参考意义。

出于性能的考虑，分布式系统在设计时通常满足最终一致性，从而满足一定程度的可用性。或者牺牲一定程度的可用性「可能在一段时间内不用，部分写入请求失败」，从而满足强一致性。

分布式事务与共识

一致性是分布式系统对外界呈现的状态。按照 CAP 定义，网络故障是不可避免的，意味着只能在一致性和可用性之间作出取舍。共识是分布式系统中就某一事件达成一致的过程。例如：对于下面的两种场景均需要分布式中各个节点达成共识，从而保证一致性。

• 原子提交

在线性一致性的保证下，分布式系统表现的好像只有一个副本。这就意味着，在分区场景下，如果一个事务包含多个分区，仍需要保证原子性。分布式系统的各个节点需要对事务的提交达成一致，要么全部提交，要么全部回滚，从而保证事务操作的原子性。

• 领导者选举

在单主复制的场景下，领导者发生故障。为了保证系统的可用性，需要从从库中选择一个节点作为领导者。如果从库不能就谁成为领导者而达成共识，就会导致脑裂。即存在多个主库，造成数据异常。

共识的不可能性

Fischer，Lynch 和 Paterson 证明，如果存在节点可能崩溃的风险，则不存在总是能够达成共识的算法。在分布式系统中，我们必须假设节点可能会崩溃，所以可靠的共识是不可能的。然而这里我们正在讨论达成共识的算法，到底是怎么回事？

答案是 FLP 是一种限制性很强的模型，它假定确定性算法不能使用任何时钟或超时。如果允许算法使用超时或其他方法来识别可疑的崩溃节点（即使怀疑有时是错误的），则共识变为一个可解的问题。即使仅仅允许算法使用随机数，也足以绕过这个不可能的结果。

因此，虽然 FLP 是关于共识不可能性的重要理论结果，但现实中的分布式系统通常是可以达成共识的。

两阶段提交

两阶段提交是保证分布式中各个节点原子事务提交的一个算法，即保证所有节点提交或中止。下图说明是两阶段提交的流程，整体分为两个阶段。所以叫两阶段提交。

在两阶段提交中，需要一个协调者用于协调各个节点进行事务提交/中止。这个协调者可以是应用程序的一个进程，也可以单独运行在服务器上。其详细流程如下：

1. 提交请求阶段

   1. 协调者向所有的参与者发送事务内容，并询问是否可以提交请求，等待响应
   2. 参与者执行事务的内容，记录 undo 日志「用于回滚」、redo 日志「用于回放」，但不会真正的提交
   3. 参与者向协调者返回事务是否可以提交。可以提交：yes，不可以提交：no。可以提交意味着无论发生什么情况「磁盘容量不足、不满足约束等」参与者均能保证事务的正常提交。

2. 提交执行阶段

   1. 当协调者收到所有的参与者发来的信息后，会根据结果来确定事务是提交还是终止。并将结果写入磁盘，即使协调者发送崩溃，故障恢复后仍知道决策结果。这被称为提交点。
   2. 协调者向各个节点发送提交/中止请求，各个节点执行对应的操作。
   3. 协调者收到各个节点的 ack 信息，事务执行完毕。

上面整个流程是如何保证事务的原子性呢？当各个节点确认事务可以提交之后，意味着稍后它肯定可以提交。协调者一旦作出决定后，这一决定是不可撤销的。这些承诺保证了分布式事务的原子性「在单机数据库中，其实是把写入日志和事务提交合为一体」。

在两阶段提交中，事务的原子性完全依赖协调者。事务提交请求阶段如果有节点超时或失败，协调者会让各个节点中止事务。在事务提交执行，如果有请求失败，协调者会无条件重试。

如下图所示，如果协调者在给 db2 发送 commit 之后发生故障。此时，db1 并不知道需要提交和中止。为了保证一致性，则需要 db1 阻塞，等待协调者恢复，确认提交还是终止。

三阶段提交

两阶段提交的最大问题在于事务的原子执行其实是依赖协调者完成。如果协调者发生故障，其他阶段会被阻塞「该事务中的数据会被加锁阻塞」，直到协调者恢复。

为了解决阻塞问题，有人提出了三阶段提交，非阻塞提交。三阶段其实是对两阶段的补充。与两阶段相比，三阶段加入了一个 canCommit 阶段，判断自己是否可以执行事务，这时并不会写入 redo log 和 undo log。

三阶段如何解决协调者故障而导致的阻塞问题呢？在三阶段协议中，引入超时机制。即进入第三阶段后，如果等待不到协调者的响应则直接 commit。为什么两阶段提交不能使用超时机制？在两阶段提交中，参与者不知道协调者的决策结果，则只能阻塞等待。而在三阶段中，参与者进入了第二阶段，意味着所有的节点均可以提交。超时之后可以直接提交。

三阶段协议并不是完美的，在分布式场景下，并没有绝对的故障检测机制。常见超时判断其实是不准确的，网络拥堵，时钟漂移，协调者 gc 均会导致误判为故障。出于这个原因，两阶段提交仍然是一个常用的协议，尽管大家知道协调者的故障会导致其阻塞。

XA 事务

XA「eXtended Architecture 的缩写」是跨异构技术的两阶段提交标准。所谓异构，可以简单理解为两种不同的数据库。例如：一个事务涉及 Mysql、PG 等多个数据库。为了保证数据事务的一致性则需要参与事务的数据库均实现 XA 的标准。

XA 事务本质上是一个两阶段提交标准的实现。应用程序通过调用实现 XA 的数据库驱动与数据库进行通信，从而实现分布式事务。通常情况下会有一个 sdk 实现 XA 定义的接口，应用程序通过 sdk 启动一个线程「协调者」进行分布式事务。它会将决策结果写入日志，并向参与者发送提交或终止消息。

由于协调者是寄生在应用程序中，如果应用程序发生崩溃，协调者将会死亡。任何等待消息的参与者将会阻塞，直到协调者重启加载日志信息，并下发消息到参与者。

共识算法

使用分布式事务可以保证多个节点对事务的一致性保证。然而在具体实现的时候强依赖协调者，如果协调者发生故障，则无法保证事务的一致性。在单主复制的架构中，所有的事务都是在一个节点上，可以保证事务的原子性。然后，问题在于主节点发生故障时，如何选择一个节点作为新的主库。

最著名的容错共识算法是视图戳复制，Paxos，Raft 以及 Zab。这些算法之间有不少相似之处，但它们并不相同。这里并不作过多讨论，除非你准备自己实现一个共识系统

总结

本文主要介绍了分布式场景下的一致性和共识。按照一致性的强弱，可以分为：线性一致性、顺序一致性、因果一致性、单调读、最终一致性。

一致性是分布式系统对外展示的一致的状态。而实现这种状态的方法我们称之为共识。在分布式场景下，常见的算法有两阶段提交、三阶段提交、XA 事务；还有一类算法是采用的主从方式，核心就是故障情况下如何选主，这里算法包括 Paxos、Raft、Zab 等。