Zookeeper全解析——Paxos作為靈魂?

原計劃在介紹完ZK Client之后就著手ZK Server的介紹，但是發現ZK Server所包含的內容實在太多，并不是簡簡單單一篇Blog就能搞定的。于是決定從基礎搞起比較好。

那么ZK Server最基礎的東西是什么呢？我想應該是Paxos了。所以本文會介紹Paxos以及它在ZK Server中對應的實現。

先說Paxos，它是一個基于消息傳遞的一致性算法，Leslie Lamport在1990年提出，近幾年被廣泛應用于分布式計算中，Google的Chubby，Apache的Zookeeper都是基于它的理論來實現的，Paxos還被認為是到目前為止唯一的分布式一致性算法，其它的算法都是Paxos的改進或簡化。有個問題要提一下，Paxos有一個前提：沒有拜占庭將軍問題。就是說Paxos只有在一個可信的計算環境中才能成立，這個環境是不會被入侵所破壞的。

關于Paxos的具體描述可以在Wiki中找到：http://zh.wikipedia.org/zh-cn/Paxos算法。網上關于Paxos分析的文章也很多。這里希望用最簡單的方式加以描述并建立起Paxos和ZK Server的對應關系。

Paxos描述了這樣一個場景，有一個叫做Paxos的小島(Island)上面住了一批居民，島上面所有的事情由一些特殊的人決定，他們叫做議員(Senator)。議員的總數(Senator Count)是確定的，不能更改。島上每次環境事務的變更都需要通過一個提議(Proposal)，每個提議都有一個編號(PID)，這個編號是一直增長的，不能倒退。每個提議都需要超過半數((Senator Count)/2 +1)的議員同意才能生效。每個議員只會同意大于當前編號的提議，包括已生效的和未生效的。如果議員收到小于等于當前編號的提議，他會拒絕，并告知對方：你的提議已經有人提過了。這里的當前編號是每個議員在自己記事本上面記錄的編號，他不斷更新這個編號。整個議會不能保證所有議員記事本上的編號總是相同的。現在議會有一個目標：保證所有的議員對于提議都能達成一致的看法。

好，現在議會開始運作，所有議員一開始記事本上面記錄的編號都是0。有一個議員發了一個提議：將電費設定為1元/度。他首先看了一下記事本，嗯，當前提議編號是0，那么我的這個提議的編號就是1，于是他給所有議員發消息：1號提議，設定電費1元/度。其他議員收到消息以后查了一下記事本，哦，當前提議編號是0，這個提議可接受，于是他記錄下這個提議并回復：我接受你的1號提議，同時他在記事本上記錄：當前提議編號為1。發起提議的議員收到了超過半數的回復，立即給所有人發通知：1號提議生效！收到的議員會修改他的記事本，將1好提議由記錄改成正式的法令，當有人問他電費為多少時，他會查看法令并告訴對方：1元/度。

現在看沖突的解決：假設總共有三個議員S1-S3，S1和S2同時發起了一個提議:1號提議，設定電費。S1想設為1元/度, S2想設為2元/度。結果S3先收到了S1的提議，于是他做了和前面同樣的操作。緊接著他又收到了S2的提議，結果他一查記事本，咦，這個提議的編號小于等于我的當前編號1，于是他拒絕了這個提議：對不起，這個提議先前提過了。于是S2的提議被拒絕，S1正式發布了提議: 1號提議生效。S2向S1或者S3打聽并更新了1號法令的內容，然后他可以選擇繼續發起2號提議。

好，我覺得Paxos的精華就這么多內容。現在讓我們來對號入座，看看在ZK Server里面Paxos是如何得以貫徹實施的。

小島(Island)——ZK Server Cluster

議員(Senator)——ZK Server

提議(Proposal)——ZNode Change(Create/Delete/SetData…)

提議編號(PID)——Zxid(ZooKeeper Transaction Id)

正式法令——所有ZNode及其數據

貌似關鍵的概念都能一一對應上，但是等一下，Paxos島上的議員應該是人人平等的吧，而ZK Server好像有一個Leader的概念。沒錯，其實Leader的概念也應該屬于Paxos范疇的。如果議員人人平等，在某種情況下會由于提議的沖突而產生一個“活鎖”（所謂活鎖我的理解是大家都沒有死，都在動，但是一直解決不了沖突問題）。Paxos的作者Lamport在他的文章”The Part-Time Parliament“中闡述了這個問題并給出了解決方案——在所有議員中設立一個總統，只有總統有權發出提議，如果議員有自己的提議，必須發給總統并由總統來提出。好，我們又多了一個角色：總統。

總統——ZK Server Leader

又一個問題產生了，總統怎么選出來的？oh, my god! It’s a long story. 在淘寶核心系統團隊的Blog上面有一篇文章是介紹如何選出總統的，有興趣的可以去看看：http://rdc.taobao.com/blog/cs/?p=162

現在我們假設總統已經選好了，下面看看ZK Server是怎么實施的。

情況一：

屁民甲(Client)到某個議員(ZK Server)那里詢問(Get)某條法令的情況(ZNode的數據)，議員毫不猶豫的拿出他的記事本(local storage)，查閱法令并告訴他結果，同時聲明：我的數據不一定是最新的。你想要最新的數據？沒問題，等著，等我找總統Sync一下再告訴你。

情況二：

屁民乙(Client)到某個議員(ZK Server)那里要求政府歸還欠他的一萬元錢，議員讓他在辦公室等著，自己將問題反映給了總統，總統詢問所有議員的意見，多數議員表示欠屁民的錢一定要還，于是總統發表聲明，從國庫中拿出一萬元還債，國庫總資產由100萬變成99萬。屁民乙拿到錢回去了(Client函數返回)。

情況三：

總統突然掛了，議員接二連三的發現聯系不上總統，于是各自發表聲明，推選新的總統，總統大選期間政府停業，拒絕屁民的請求。

呵呵，到此為止吧，當然還有很多其他的情況，但這些情況總是能在Paxos的算法中找到原型并加以解決。這也正是我們認為Paxos是Zookeeper的靈魂的原因。當然ZK Server還有很多屬于自己特性的東西：Session, Watcher，Version等等等等，需要我們花更多的時間去研究和學習。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Zookeeper全解析——Paxos作为灵魂的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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