200 行代码实现基于 Paxos 的 KV 存储

前言

写完【paxos 的直观解释】之后，网友都说疗效甚好，但是也会对这篇教程中一些环节提出疑问（有疑问说明真的看懂了 ），例如怎么把只能确定一个值的 paxos 应用到实际场景中。

既然 Talk is cheap，那么就 Show me the code，这次我们把教程中描述的内容直接用代码实现出来，希望能覆盖到教程中的涉及的每个细节。帮助大家理解 paxos 的运行机制。

这是一个基于 paxos，200 行代码的 kv 存储系统的简单实现，作为 【 paxos 的直观解释 】 这篇教程中的代码示例部分。Paxos 的原理本文不再介绍了，本文提到的数据结构使用【protobuf】定义，网络部分使用【grpc】定义。另外 200 行 go 代码实现 paxos 存储。

文中的代码可能做了简化, 完整代码实现在【paxoskv】这个项目中（naive 分支）。

运行和使用

跑一下：

git clone https://github.com/openacid/paxoskv.git
cd paxoskv
go test -v ./...

这个项目中除了 paxos 实现，用 3 个 test case 描述了 3 个 paxos 运行的例子，

• 【TestCase1SingleProposer】：无冲突运行。
• 【TestCase2DoubleProposer】：有冲突运行。
• 【Example_setAndGetByKeyVer】作为 key-val 使用。

测试代码描述了几个 paxos 运行例子的行为，运行测试可以确认 paxos 的实现符合预期。

本文中 protobuf 的数据结构定义如下：

service PaxosKV {
    rpc Prepare (Proposer) returns (Acceptor) {}
    rpc Accept (Proposer) returns (Acceptor) {}
}
message BallotNum {
    int64 N          = 1;
    int64 ProposerId = 2;
}
message Value {
    int64 Vi64 = 1;
}
message PaxosInstanceId {
    string Key = 1;
    int64  Ver = 2;
}
message Acceptor {
    BallotNum LastBal = 1;
    Value     Val     = 2;
    BallotNum VBal    = 3;
}
message Proposer {
    PaxosInstanceId Id  = 1;
    BallotNum       Bal = 2;
    Value           Val = 3;
}

以及主要的函数实现：

// struct KVServer
Storage : map[string]Versions
func Accept(c context.Context, r *Proposer) (*Acceptor, error)
func Prepare(c context.Context, r *Proposer) (*Acceptor, error)
func getLockedVersion(id *PaxosInstanceId) *Version

// struct Proposer
func Phase1(acceptorIds []int64, quorum int) (*Value, *BallotNum, error)
func Phase2(acceptorIds []int64, quorum int) (*BallotNum, error)
func RunPaxos(acceptorIds []int64, val *Value) *Value
func rpcToAll(acceptorIds []int64, action string) []*Acceptor

func ServeAcceptors(acceptorIds []int64) []*grpc.Server

从头实现 Paxoskv

Paxos 相关的数据结构

在这个例子中我们的数据结构和服务框架使用【protobuf】和【grpc】实现，首先是最底层的 paxos 数据结构：Proposer 和 Acceptor在【slide-27】中我们介绍了 1 个 Acceptor 所需的字段：

在存储端（Acceptor）也有几个概念：

• last_rnd 是 Acceptor 记住的最后一次进行写前读取的 Proposer（客户端）是谁，以此来决定谁可以在后面真正把一个值写到存储中。
• v 是最后被写入的值。
• vrnd 跟 v 是一对, 它记录了在哪个 Round 中 v 被写入了。

原文中这些名词是参考了【paxos made simple】中的名称，但在【Leslie Lamport】后面的几篇 paper 中都换了名称，为了后续方便，在【paxoskv】的代码实现中也做了相应的替换：

rnd      ==> Bal   // 每一轮paxos的编号, BallotNum
vrnd     ==> VBal  // 在哪个Ballot中v被Acceptor 接受(voted)
last_rnd ==> LastBal

Proposer 的字段也很简单，它需要记录：

• 当前的 ballot number：Bal，
• 以及它选择在 Phase2 运行的值：Val（【slide-29】）。

于是在这个项目中用 protobuf 定义这两个角色的数据结构，如代码【paxoskv.proto】中的声明，如下：

message Acceptor {
  BallotNum LastBal = 1;
  Value     Val = 2;
  BallotNum VBal = 3;
}

message Proposer {
  PaxosInstanceId Id = 1;

  BallotNum Bal = 2;
  Value     Val = 3;
}

其中 Proposer 还需要一个 PaxosInstanceId，来标识当前的 paxos 实例为哪个 key 的哪个 version 在做决定，【paxos made simple】中只描述了一个 paxos 实例的算法（对应一个 key 的一次修改），要实现多次修改，就需要增加这个字段来区分不同的 paxos 实例：

message PaxosInstanceId {
  string Key = 1;
  int64  Ver = 2;
}

【paxoskv.proto】还定义了一个 BallotNum，因为要保证全系统内的 BallotNum 都有序且不重复，一般的做法就是用一个本地单调递增的整数，和一个全局唯一的 id 组合起来实现：

message BallotNum {
    int64 N = 1;
    int64 ProposerId = 2;
}

定义 RPC 消息结构

RPC 消息定义了 Proposer 和 Acceptor 之间的通讯。

在一个 paxos 系统中，至少要有 4 个消息：

• Phase 1 的 Prepare-request，Prepare-reply
• Phase 2 的 Accept-request，Accept-reply

如【slide-28】所描述的（原文中使用 rnd，这里使用 Bal，都是同一个概念）：

Phase- 1（Prepare）：

request:
    Bal: int

reply:
    LastBal: int
    Val:     string
    VBal:    int

Phase- 2（Accept）：

request:
    Bal: int
    Val:   string

reply:
    LastBal: int

在 Prepare-request 或 Accept-request 中，发送的是一部分或全部的 Proposer 的字段，因此我们在代码中：

• 直接把 Proposer 的结构体作为 request 的结构体
• 同样把 Acceptor 的结构体作为 reply 的结构体

在使用的时候只使用其中几个字段，对应我们的 RPC 服务【PaxosKV】定义如下：

service PaxosKV {
    rpc Prepare (Proposer) returns (Acceptor) {}
    rpc Accept (Proposer) returns (Acceptor) {}
}

使用 Protobuf 和 Grpc 生成服务框架

protobuf 可以将【paxoskv.proto】直接生成 go 代码（代码库中已经包含了生成好的代码：【paxoskv.pb.go】，只有修改【paxoskv.proto】之后才需要重新生成）

• 首先安装 protobuf 的编译器 protoc，可以根据【install-protoc】中的步骤安装, 一般简单的一行命令就可以了：安装好之后通过 protoc--version 确认版本，至少应该是 3.x: libprotoc 3.13.0
• • Linux：apt install-y protobuf-compiler
  • Mac：brew install protobuf
• 安装 protoc 的 go 语言生成插件 protoc-gen-go：go get -u github.com/golang/protobuf/protoc-gen-go
• 重新编译 protokv.proto 文件：直接 make gen 或：

  protoc
      --proto_path=proto
      --go_out=plugins=grpc:paxoskv
      paxoskv.proto

生成后的【paxoskv.pb.go】代码中可以看到，其中主要的数据结构例如 Acceptor 的定义：

type Acceptor struct {
  LastBal *BallotNum ...
  Val     *Value ...
  VBal    *BallotNum ...
        ...
}

以及 KV 服务的 client 端和 server 端的代码，client 端是实现好的，server 端只有一个 interface，后面我们需要来完成它的实现：

type paxosKVClient struct {
  cc *grpc.ClientConn
}
type PaxosKVClient interface {
  Prepare(
    ctx context.Context,
    in *Proposer,
    opts ...grpc.CallOption
  ) (*Acceptor, error)

  Accept(
    ctx context.Context,
    in *Proposer,
    opts ...grpc.CallOption
  ) (*Acceptor, error)
}

type PaxosKVServer interface {
  Prepare(context.Context,
          *Proposer) (*Acceptor, error)
  Accept(context.Context,
         *Proposer) (*Acceptor, error)
}

实现存储的服务器端

【impl.go】是所有实现部分，我们定义一个 KVServer 结构体，用来实现 grpc 服务的 interface PaxosKVServer；其中使用一个内存里的 map 结构模拟数据的存储：

type Version struct {
  mu       sync.Mutex
  acceptor Acceptor
}
type Versions map[int64]*Version
type KVServer struct {
  mu      sync.Mutex
  Storage map[string]Versions
}

其中 Version 对应一个 key 的一次变化，也就是对应一个 paxos 实例，Versions 对应一个 key 的一系列变化，Storage 就是所有 key 的所有变化。

实现 Acceptor 的 grpc 服务 handler

Acceptor，是这个系统里的 server 端，监听一个端口，等待 Proposer 发来的请求并处理，然后给出应答。

根据 paxos 的定义，Acceptor 的逻辑很简单：在【slide-28】中描述：

根据教程里的描述，为 KVServer 定义 handle Prepare-request 的代码：

func (s *KVServer) Prepare(
    c context.Context,
    r *Proposer) (*Acceptor, error) {

  v := s.getLockedVersion(r.Id)
  defer v.mu.Unlock()

  reply := v.acceptor

  if r.Bal.GE(v.acceptor.LastBal) {
    v.acceptor.LastBal = r.Bal
  }

  return &reply, nil
}

这段代码分 3 步：

• 取得 paxos 实例，
• 生成应答：Acceptor 总是返回 LastBal，Val，VBal  这 3 个字段，所以直接把 Acceptor 赋值给 reply。
• 最后更新 Acceptor 的状态：然后按照 paxos 算法描述，如果请求中的 ballot number 更大，则记录下来，表示不在接受更小 ballot number 的 Proposer。

其中 getLockedVersion() 从 KVServer.Storage 中根据 request 发来的PaxosInstanceId 中的字段 key 和 ver 获取一个指定 Acceptor 的实例：

func (s *KVServer) getLockedVersion(
    id *PaxosInstanceId) *Version {

  s.mu.Lock()
  defer s.mu.Unlock()

  key := id.Key
  ver := id.Ver
  rec, found := s.Storage[key]
  if !found {
    rec = Versions{}
    s.Storage[key] = rec
  }

  v, found := rec[ver]
  if !found {
    // initialize an empty paxos instance
    rec[ver] = &Version{
      acceptor: Acceptor{
        LastBal: &BallotNum{},
        VBal:    &BallotNum{},
      },
    }
    v = rec[ver]
  }

  v.mu.Lock()
  return v
}

handle Accept-request 的处理类似，在【slide-31】中描述：

Accept() 要记录 3 个值，

• LastBal：Acceptor 看到的最大的 ballot number；
• Val：Proposer 选择的值，
• 以及 VBal：Proposer 的 ballot number：

func (s *KVServer) Accept(
    c context.Context,
    r *Proposer) (*Acceptor, error) {

  v := s.getLockedVersion(r.Id)
  defer v.mu.Unlock()

  reply := Acceptor{
    LastBal: &*v.acceptor.LastBal,
  }

  if r.Bal.GE(v.acceptor.LastBal) {
    v.acceptor.LastBal = r.Bal
    v.acceptor.Val = r.Val
    v.acceptor.VBal = r.Bal
  }

  return &reply, nil
}

Acceptor 的逻辑到此完整了，再看 Proposer：

实现 Proposer 逻辑

Proposer 的运行分 2 个阶段，Phase1 和 Phase2，与 Prepare 和 Accept 对应。

Phase1

在【impl.go】的实现中，Proposer.Phase1() 函数负责 Phase1 的逻辑：

func (p *Proposer) Phase1(
    acceptorIds []int64,
    quorum int) (*Value, *BallotNum, error) {

  replies := p.rpcToAll(acceptorIds, "Prepare")

  ok := 0
  higherBal := *p.Bal
  maxVoted := &Acceptor{VBal: &BallotNum{}}

  for _, r := range replies {
    if !p.Bal.GE(r.LastBal) {
      higherBal = *r.LastBal
      continue
    }

    if r.VBal.GE(maxVoted.VBal) {
      maxVoted = r
    }

    ok += 1
    if ok == quorum {
      return maxVoted.Val, nil, nil
    }
  }

  return nil, &higherBal, NotEnoughQuorum
}

这段代码首先通过 rpcToAll() 向所有 Acceptor 发送 Prepare-request 请求， 然后找出所有的成功的 reply：

• 如果发现一个更大的 ballot number，表示一个 Prepare 失败：有更新的Proposer 存在；
• 否则，它是一个成功的应答，再看它有没有返回一个已经被 Acceptor 接受（voted）的值。

最后，成功应答如果达到多数派（quorum），则认为 Phase1 完成，返回最后一个被 voted 的值，也就是 VBal 最大的那个。让上层调用者继续 Phase2；如果没有达到 quorum，这时可能是有多个 Proposer 并发运行而造成冲突，有更大的 ballot number，这时则把见到的最大 ballot number 返回，由上层调用者提升 ballot number 再重试。

client 与 server 端的连接

上面用到的 rpcToAll 在这个项目中的实现 client 端（Proposer）到 server 端（Acceptor）的通讯，它是一个十分 简洁美观 简陋的 grpc 客户端实现：

func (p *Proposer) rpcToAll(
    acceptorIds []int64,
    action string) []*Acceptor {

  replies := []*Acceptor{}

  for _, aid := range acceptorIds {
    var err error
    address := fmt.Sprintf("127.0.0.1:%d",
        AcceptorBasePort+int64(aid))

    conn, err := grpc.Dial(
        address, grpc.WithInsecure())
    if err != nil {
      log.Fatalf("did not connect: %v", err)
    }
    defer conn.Close()

    c := NewPaxosKVClient(conn)

    ctx, cancel := context.WithTimeout(
        context.Background(), time.Second)
    defer cancel()

    var reply *Acceptor
    if action == "Prepare" {
      reply, err = c.Prepare(ctx, p)
    } else if action == "Accept" {
      reply, err = c.Accept(ctx, p)
    }
    if err != nil {
      continue
    }
    replies = append(replies, reply)
  }
  return replies
}

Phase2

Proposer 运行的 Phase2 在【slide-30】中描述，比 Phase1 更简单：

在第 2 阶段 phase-2，Proposer X 将它选定的值写入到 Acceptor 中，这个值可能是它自己要写入的值，或者是它从某个 Acceptor 上读到的 v（修复）。

func (p *Proposer) Phase2(
    acceptorIds []int64,
    quorum int) (*BallotNum, error) {

  replies := p.rpcToAll(acceptorIds, "Accept")

  ok := 0
  higherBal := *p.Bal
  for _, r := range replies {
    if !p.Bal.GE(r.LastBal) {
      higherBal = *r.LastBal
      continue
    }
    ok += 1
    if ok == quorum {
      return nil, nil
    }
  }

  return &higherBal, NotEnoughQuorum
}

我们看到，它只需要确认成 Phase2 的功应答数量达到 quorum 就可以了。另外同样它也有责任在 Phase2 失败时返回看到的更大的 ballot number，因为在 Phase1 和 Phase2 之间可能有其他 Proposer 使用更大的 ballot number 打断了当前 Proposer 的执行，就像【slide-33】的冲突解决的例子中描述的那样。

完整的 Paxos 逻辑

完整的 paxos 由 Proposer 负责，包括：如何选择一个值，使得一致性得以保证。如【slide-29】中描述的：

Proposer X 收到多数（quorum）个应答，就认为是可以继续运行的。如果没有联系到多于半数的 acceptor，整个系统就 hang 住了，这也是 paxos 声称的只能运行少于半数的节点失效。这时 Proposer 面临 2 种情况：所有应答中都没有任何非空的 v，这表示系统之前是干净的，没有任何值已经被其他 paxos 客户端完成了写入（因为一个多数派读一定会看到一个多数派写的结果），这时 Proposer X 继续将它要写的值在 phase-2 中真正写入到多于半数的 Acceptor 中。如果收到了某个应答包含被写入的 v 和 vrnd，这时，Proposer X 必须假设有其他客户端（Proposer）正在运行，虽然 X 不知道对方是否已经成功结束，但任何已经写入的值都不能被修改！所以 X 必须保持原有的值。于是 X 将看到的最大 vrnd 对应的 v 作为 X 的 phase-2 将要写入的值。这时实际上可以认为 X 执行了一次（不知是否已经中断的）其他客户端（Proposer）的修复。

基于 Acceptor 的服务端和 Proposer 2 个 Phase 的实现，最后把这些环节组合到一起组成一个完整的 paxos，在我们的代码【RunPaxos】这个函数中完成这些事情：

func (p *Proposer) RunPaxos(
    acceptorIds []int64,
    val *Value) *Value {

  quorum := len(acceptorIds)/2 + 1

  for {
    p.Val = val

    maxVotedVal, higherBal, err := p.Phase1(
        acceptorIds, quorum)

    if err != nil {
      p.Bal.N = higherBal.N + 1
      continue
    }

    if maxVotedVal != nil {
      p.Val = maxVotedVal
    }

    // val == nil 是一个读操作,
    // 没有读到voted值不需要Phase2
    if p.Val == nil {
      return nil
    }

    higherBal, err = p.Phase2(
        acceptorIds, quorum)

    if err != nil {
      p.Bal.N = higherBal.N + 1
      continue
    }

    return p.Val
  }
}

这段代码完成了几件事：运行 Phase1，有 voted 的值就选它，没有就选自己要写的值 val，然后运行 Phase2。

就像 Phase1 Phase2 中描述的一样，任何一个阶段，如果没达到 quorum，就需要提升遇到的更大的 ballot number，重试去解决遇到的 ballot number 冲突。这个函数接受 2 个参数：

• 所有 Acceptor 的列表（用一个整数的 id 表示一个 Acceptor），
• 以及要提交的值。

其中，按照 paxos 的描述，这个值 val 不一定能提交：如果 paxos 在 Phase1 完成后看到了其他已经接受的值（voted value），那就要选择已接收的值，放弃 val。遇到这种情况，在我们的系统中，例如要写入  key=foo，ver=3 的值为 bar，如果没能选择 bar，就要选择下一个版本  key=foo，ver=4 再尝试写入。这样不断的重试循环, 写操作最终都能成功写入一个值（voted value）。

实现读操作

在我们这个 NB（naive and basic）的系统中，读和写一样都要通过一次 paxos 算法来完成。因为写入过程就是一次 paxos 执行，而 paxos 只保证在一个 quorum 中写入确定的值，不保证所有节点都有这个值。因此一次读操作如果要读到最后写入的值，至少要进行一次多数派读。

但多数派读还不够：它可能读到一个未完成的 paxos 写入，如【slide-11】中描述的脏读问题，读取到的最大 VBal 的值，可能不是确定的值（写入到多数派）。

例如下面的状态：

Val=foo    Val=bar    ?
VBal=3     VBal=2     ?
-------    -------    --
A0         A1         A2

如果 Proposer 试图读，在 Phase1 联系到 A0 A1 这 2 个 Acceptor，那么 foo 和 bar 这 2 个值哪个是确定下来的，要取决于 A2 的状态。所以这时要再把最大VBal 的值跑完一次  Phase2，让它被确定下来，然后才能把结果返回给上层（否则另一个 Proposer 可能联系到 A1 和 A2，然后认为 Val=bar 是被确定的值）。

当然如果 Proposer 在读取流程的 Phase1 成功后没有看到任何已经 voted 的值（例如没有看到 foo 或 bar）， 就不用跑 Phase2 了。

所以在这个版本的实现中，读操作也是一次【RunPaxos】函数的调用，除了它并不 propose 任何新的值，为了支持读操作，所以在上面的代码中 Phase2 之前加入一个判断，如果传入的 val 和已 voted 的值都为空，则直接返回：

if p.Val == nil {
  return nil
}

【Example_setAndGetByKeyVer】这个测试用例展示了如何使用 paxos 实现一个 kv 存储，实现读和写的代码大概这样：

prop := Proposer{
  Id: &PaxosInstanceId{
    Key: "foo",
    Ver: 0,
  },
  Bal: &BallotNum{N: 0, ProposerId: 2},
}

// 写:
v := prop.RunPaxos(acceptorIds, &Value{Vi64: 5})

// 读:
v := prop.RunPaxos(acceptorIds, nil)

到现在为止，本文中涉及到的功能都实现完了，完整实现在【impl.go】中。

接着我们用测试用例实现 1 下【paxos的直观解释】中列出的 2 个例子, 从代码看 poxos 的运行：

文中例子

第1个例子是 paxos 无冲突的运行【slide-32】：

把它写成 test case，确认教程中每步操作之后的结果都如预期 【TestCase1SingleProposer】：

func TestCase1SingleProposer(t *testing.T) {
  ta := require.New(t)

  acceptorIds := []int64{0, 1, 2}
  quorum := 2

  // 启动3个Acceptor的服务
  servers := ServeAcceptors(acceptorIds)
  defer func() {
    for _, s := range servers {
      s.Stop()
    }
  }()

  // 用要更新的key和version定义paxos 实例的id
  paxosId := &PaxosInstanceId{
    Key: "i",
    Ver: 0,
  }

  var val int64 = 10

  // 定义Proposer, 随便选个Proposer id 10.
  var pidx int64 = 10
  px := Proposer{
    Id:  paxosId,
    Bal: &BallotNum{N: 0, ProposerId: pidx},
  }

  // 用左边2个Acceptor运行Phase1,
  // 成功, 没有看到其他的ballot number
  latestVal, higherBal, err := px.Phase1(
      []int64{0, 1}, quorum)

  ta.Nil(err, "constitued a quorum")
  ta.Nil(higherBal, "no other proposer is seen")
  ta.Nil(latestVal, "no voted value")

  // Phase1成功后, 因为没有看到其他voted的值,
  // Proposer选择它自己的值进行后面的Phase2
  px.Val = &Value{Vi64: val}

  // Phase 2
  higherBal, err = px.Phase2(
      []int64{0, 1}, quorum)

  ta.Nil(err, "constitued a quorum")
  ta.Nil(higherBal, "no other proposer is seen")
}

第 2 个例子对应 2 个 Proposer 遇到冲突并解决冲突的例子，略长不贴在文中了，代码可以在 【TestCase2DoubleProposer】看到。

工程

Paxos 的出色之处在于它将分布式一致性问题简化到最核心的部分，没有任何多余的设计。

工程实现上我们多数时候会用一个 paxos 的变体，它需要对 paxos 中的实例扩展为一系列多值的操作日志，支持完整的状态机，以及对运维提供支持成员变更，所以 raft 在工程上更受欢迎：

https://github.com/datafuselabs/openraft

创建 openraft 这个项目的目的是：

• 优化和改良 raft 算法本身的问题：

• • 例如一个 term 内无法选出多个 leader，造成选举冲突过多的问题，
  • 例如不必要的 pre-vote 阶段的引入，
  • 例如 raft 作为一个一致性算法对外部时钟的依赖，
  • 例如强制的 leader/candidate 阶段的拆分使得换 leader 要经历一个无法服务的 candidate-state 的阶段。
    
    openraft 正在解决的这些问题，使之不仅仅是一个为了性能和安全用 rust 重写的项目。

• 其次在用户接口上，提供一组语义明确的 async API。

参考链接

本文用到的代码在 paxoskv 项目的 naive 分支上：

【https://github.com/openacid/paxoskv/tree/naive】

• 【paxos made simple】：http://lamport.azurewebsites.net/pubs/pubs.html#paxos-simple
• 【Leslie Lamport】：http://www.lamport.org/
• 【protobuf】：https://developers.google.com/protocol-buffers
• 【install-protoc】：https://grpc.io/docs/protoc-installation/
• 【grpc】：https://grpc.io/
• 【paxos的直观解释】：https://blog.openacid.com/algo/paxos
• 【issue】：https://github.com/openacid/paxoskv/issues/new/choose
• 【paxoskv】：https://github.com/openacid/paxoskv/tree/naive
• 【TestCase1SinglePropose】：https://github.com/openacid/paxoskv/blob/naive/paxoskv/paxos_slides_case_test.go#L11
• 【TestCase2DoubleProposer】：https://github.com/openacid/paxoskv/blob/naive/paxoskv/paxos_slides_case_test.go#L57
• 【Example_setAndGetByKeyVer】：https://github.com/openacid/paxoskv/blob/naive/paxoskv/example_set_get_test.go
• 【Openraft】: https://github.com/datafuselabs/openraft

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