ZooKeeper的Paxos算法

 Paxos

• Paxos 这个算法是Leslie Lamport在1990年提出的一种基于消息传递的一致性算法 Paxos 算法解决的问题是一个分布式系统如何就某个值（决议）达成一致。
• part-time parliament Paxos Made Simple里这样描述Paxos算法执行过程：
  • prepare 阶段：
    • proposer【申请人】 选择一个提案编号 n 并将 prepare 请求发送给 acceptors【接收者】 中的一个多数派；
    • acceptor 收到 prepare 消息后，如果提案的编号大于它已经回复的所有 prepare 消息，则 acceptor 将自己上次接受的提案回复给 proposer，并承诺不再回复小于 n 的提案；
  • 批准阶段：
    • 当一个 proposer 收到了多数 acceptors 对 prepare 的回复后，就进入批准阶段。它要向回复 prepare 请求的 acceptors 发送 accept 请求，包括编号 n 和根据 P2c 决定的 value（如果根据 P2c 没有已经接受的 value，那么它可以自由决定 value）。
    • 在不违背自己向其他 proposer 的承诺的前提下，acceptor 收到 accept 请求后即接受这个请求。
  • Learn 阶段：
    • 当各个Acceptor达到一致之后，需要将达到一致的结果通知给所有的Learner；

故事的形式举例

• 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(SenatorCount)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((SenatorCount)/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。
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• 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。 
  • 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。 
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• 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。 
• 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 
  • 现在我们假设总统已经选好了，下面看看ZKServer是怎么实施的。 
    • 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。