【分布式协调】之理解paxos

感叹一下

　　不得不说近几年国内软件行业发生了巨大的变化，之前几乎所有应用都围绕桌面展开，而近几年很多让人神魂颠倒的关键词一个接一个的映入眼帘：web2.0、移动应用、云计算、大数据。互联网的浪潮一波接着一波，我们这代人也鉴证了在一次次的革命中科技企业的兴衰成败。貌似说的有些远了，其实我只是想说，互联网的繁荣会产出大规模的数据，必定给分布式技术带来的无比巨大的挑战，所以我们应该理解其基本原理来更好的投身于我们的事业之中~

　　进入正题。我是根据wiki上的算法描述来解释的，第一次看wiki的描述感觉摸不着头脑，有些地方总觉得不对，但是后来细细品味，wiki的文字并没有疏忽。

　　另外本人利用闲暇时间开发出了一个类Paxos的工程实现，借鉴了chubby以及zookeeper等项目的一些工程化方法，代码已经开源：https://github.com/15Koala/cocklebur 目前已经实现自动选主，数据服务还在开发阶段。后续我会把实现的具体细节以博客的形式发表出来，希望能和大家多多交流！

用Paxos做什么？

　　Paxos是一种使多个个体达成一致的一种协议，他被广泛的应用在分布式领域当中。然而大家在真正用它的时候都会选择类paxos去实现，而paxos则被认为是各种版本的类paxos的源头。Paxos致力解决在消息重复、丢失、延迟的情况下分布式系统消息传递一致性的保证，如果每个节点都遵守该协议那么就可以一致。

　　可能说道这里，有些人会感到困惑，什么叫达成一致呢？这跟整个集群有什么关系？好，那我说个具体的例子，比如：你想让一个集群启动后自动的选举出一个主节点作为master，你可能会说，我配置好了就OK了，但是master挂了怎么办？Paxos可以让集群自动选举出master，“选举”要比“任命”更鲁棒。而选举的过程其实就是修改节点状态（节点上的数据）的过程，大家根据统一的约定（Paxos协议）去选出一个master。

Paxos协议的描述

　　现在我们过一遍Paxos算法的内容，此时一定不要想太多工程实现上的细节问题，现在我们只需了解它怎么去工作就好了，因为具体实现与下面陈述的大相径庭。

　　首先，过程涉及三种角色，提案者（proposer），评议者（acceptor），使用提案的人（learner）。通俗点说就是proposer们要给acceptor们提一些提案，让acceptor最终敲定一个提案，敲定之后再通告所有的learner们。补充一句，为了打消你的一些疑虑，补充下面几点：1. proposer可以提交很多次自己的提案（因为这相当于消息重发）；2. 也可以没让某些acceptor收到自己的提案（因为这相当于丢包了，但不能全部都收不到啊，这样这个提案就完全没意义了），3. Acceptor收到的提案可以顺序错乱的（这相当某些消息延迟了）；4. 每个proposer都没有说违心的话，都有啥说啥了（这相当于没有拜占庭问题，发送的信息都是正确无误的）。

　　OK，到了现在人物出场完毕，接下来解释一下提案过程所涉及的概念：

　　

提案（value）:每个proposer向acceptor们提交提案时都会附带一个序号（自增的，你可以把提交的时间戳作为它的序号），之所以需要这个编号，是让它作为acceptor取舍提案的依据。但是value是提案的唯一标识，比如，一个proposer提了两次value = v1的提案，虽然第二次的序号要比第一次大，但是依然是同一个提案。
多数派（majority）：多数派是所有acceptor的一个子集，元素个数多余一半就称之为多数派。他代表了某一群acceptor。根据抽屉原理，任意两个多数派之间必然有交集。

接受（accept）：acceptor总会接收它收到的第一个提案；如果序号比之前接受的提案序号都高，那么它也会接收提案；

批准（chosen）:一个多数派接受了一个提案，并且在该proposer发送accept请求确认之后，那么我们说该提案被批准。

prepare请求：提案请求，proposer 向acceptor多数派发送提案请求。

accept请求：批准请求，proposer 征求acceptor批准自己的提案。

　　

OK，我们来看一下Paxos提案两个阶段：

A.准备（prepare）阶段：

1.proposer 选择一个提案编号 n （在proposer 角度看永远是自增的，但是在acceptor角度看就不一定了，因为可能延迟，你懂的）并将提案（value）发送给 acceptors 中的一个多数派（就是说超过一半的acceptor接收到了，但不能说是proposer 发送给了多一半的人，因为这并不能保证多数派收到提案，时时刻刻要提醒自己，发送不一定能收到！要仔细体会前面几句的区别哦）；
2.acceptor 收到提案后，如果提案的编号大于它已经回复的所有提案的编号，接收该提案（约束P1a，见wiki百科）。acceptor 将自己上次接受的提案回复给 proposer（其实这里主要是为了优化用的，因为proposer如果知道了有跟自己不一样且编号较大的提案，他自己就不会再去申请了），然后，并承诺给该proposer不再回复小于 n 的提案；

B.批准（chosen）阶段：

1.当一个 proposor 收到了多数 acceptors 对 prepare 的回复后，就进入批准（chosen）阶段。他要向回复提案请求的 acceptors 发送 accept 请求，包括编号 n 和他的value（注意，此时可能会有多个proposor 认为自己已经被多数派认可，因为acceptors 在接受proposor1之后可能有来了一个持有更大编号的proposor2，实际上此时多数派可能更支持proposor2。另外需要再次强调一下，多数派一旦持有一个意见之后，不可能在找出持有其他意见的多数派，因为任意两个多数派必有交集，所以可以反证之）；
2.在不违背自己向其他 proposer 的承诺的前提下（上文提到过这个承诺-不再接收编号更小的提案，言外之意，如果在该proposor发送accept请求之前，多数派成员发现了序号更高而且跟该proposor的提案不同的提案，那么肯定就接受了），acceptor 收到 accept 请求后即接受这个请求（如果acceptors们发现此时发accept请求的proposor持有的value并不是当前acceptor所接受的，那么将不会接受，所以接受的数量构不成多数派，那么该提案就失败了，如果构成多数派，那么就批准了）。

　　

　　到此，整个协议就描述完毕，你可能更加关心各种异常情形。因为单从上面的描述中很难看出遇到异常情况如何去决策。

　　比如，一个常见的问题就是如果在批准阶段，一个proposor没有被批准（虽然他之前还看到希望来着），他发送的accept请求已经被某些acceptor所接受了，那么这些acceptor就不会在接受其他的value了，那他们以后怎么办？我想持有这样问题的朋友一定是在想这并不是所有人达成一致呀！没错，在批准的那一刻并不是所有人都一致，而是一个多数派一致了，那么这就够了，因为只要找出一个多数派批准，那么我们就强行决定，所有人都应该批准！

　　再比如一个问题：批准之后要是一个持有更高编号的延迟了，导致让编号较小的人率先获得多数派的批准。回答是只能对那些晚了的人表示遗憾了，因为有些事一旦错过就不在...这里不是开玩笑，是因为有些超时的行为是需要去权衡的，你也可能设定一个等待时间，在批准前先等一等，看看有没有晚来的“优秀提案”。

　　参考文献：http://zh.wikipedia.org/wiki/Paxos%E7%AE%97%E6%B3%95