分布式系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)(1)——數(shù)據(jù)一致性

本文是本系列的第一篇。從普遍認(rèn)為的分布式系統(tǒng)中最最最重要的數(shù)據(jù)一致性開始。內(nèi)容適合人群>=0年技術(shù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

01

任何事物能夠被持續(xù)的運(yùn)用和發(fā)展，必然有其價(jià)值，分布式系統(tǒng)也是一樣。分布式系統(tǒng)的產(chǎn)生我認(rèn)為主要的目的就是“快”和“海量”。這個(gè)“快”可以分為兩個(gè)方面：

第一個(gè)是系統(tǒng)的處理速度快。

第二個(gè)是開發(fā)的速度快（歷時(shí)短）。

這2點(diǎn)本質(zhì)都是相同的，把一個(gè)動(dòng)作或者一件事情拆成兩部分或者多個(gè)部分去同時(shí)進(jìn)行，使得整體的耗時(shí)縮短。比如：原本一件事情要一個(gè)人做的話要兩分鐘。那么我雇傭兩個(gè)人幫我各自做一部分，那么最理想情況下一分鐘就可以完成了。

當(dāng)然這兩個(gè)方面中第二項(xiàng)從某種意義上來說是可以克服的，但是第一項(xiàng)是無法克服的。因?yàn)闆]有一個(gè)程序或者說一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它的性能是無窮大的，如果有，那分布式系統(tǒng)也不會(huì)像現(xiàn)在這么普遍了（很多時(shí)候用錢能解決的問題都不是問題了）。

“海量”則是由于不存在無窮大的硬盤，所以我們需要把數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到不同的硬盤上，才能滿足需求。這些硬盤可能在不同主機(jī)、不同機(jī)房、不同地域，未來可能會(huì)在不同的星球吧。

02

所謂每個(gè)事物都是矛盾統(tǒng)一的結(jié)合體，都具有兩面性。分布式系統(tǒng)再帶來了前面提到的好處的同時(shí)，也帶來了業(yè)界普遍認(rèn)為最大的問題 —— 數(shù)據(jù)一致性問題。

系統(tǒng)是給人用的，構(gòu)成使用場(chǎng)景的概念叫業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)是核心，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來說，業(yè)務(wù)的發(fā)展歸根到底是建立在數(shù)據(jù)之上的。我可以慢、可以宕機(jī)、可以搞得很復(fù)雜，這些都能忍，但唯獨(dú)不能忍的就是數(shù)據(jù)問題，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)不一致等等。

分布式就意味著分治與協(xié)作，一件事一個(gè)人只負(fù)責(zé)一部分。生活中這樣的例子也無處不在，就拿舉辦一個(gè)Party來說：一部分人去準(zhǔn)備吃的，一部分人去準(zhǔn)備喝的，一部分人去準(zhǔn)備場(chǎng)地布置。這些事情大家都可以同時(shí)進(jìn)行，但是任一環(huán)節(jié)掉鏈子了，或者說不符合Party主題的話，都是失敗的。（不知道為什么，腦子里浮現(xiàn)的是一場(chǎng)發(fā)布會(huì)，大家喊著cheers，一口干了高腳杯里的二鍋頭。。。

再舉個(gè)電商場(chǎng)景中的程序案例：

這里的4個(gè)操作以目標(biāo)來看，其實(shí)先后順序并不重要，重要的是要么都成功，要么都失敗，其中任意一個(gè)程序不一致那么就會(huì)出問題。這個(gè)問題本質(zhì)上和人與人之間的溝通問題是類似的，之前寫過一篇文章也專門聊過溝通問題，有興趣的可以擴(kuò)展閱讀下：《就簡單聊聊溝通效率問題》，上面的Party的例子也是這個(gè)道理。與溝通唯一的不同在于，對(duì)程序來說，不一定都要得到響應(yīng)，都沒響應(yīng)也是一致。當(dāng)一個(gè)事情分成100個(gè)部分去做的時(shí)候，很可怕，從概率的角度來看，達(dá)到一致的概率是2/5050。

這里舉的程序例子并不是嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)閷?shí)際的分布式系統(tǒng)中因?yàn)槌恕皐rite”操作還有“read”操作，所以一致性問題比這個(gè)更復(fù)雜，后面會(huì)有更詳細(xì)的說明。

03

那么是什么原因?qū)е铝藬?shù)據(jù)不一致的產(chǎn)生呢？一是程序設(shè)計(jì)問題，或者說代碼寫錯(cuò)了。這點(diǎn)很好理解，也很容易想到解決方案，多做測(cè)試，驗(yàn)證是否符合預(yù)期咯。常見的單元測(cè)試、接口測(cè)試、自動(dòng)化測(cè)試、集成測(cè)試等等都是為了更具性價(jià)比的將BUG降低到無限接近于0，也造就了“測(cè)試工程師”這個(gè)崗位更大的作用。

但是，假設(shè)真的沒有BUG，但還是會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致，因?yàn)檐浖沁\(yùn)行在硬件之上的，所以還有硬件的因素存在。并且對(duì)我們這里的大部分人來說，硬件相比軟件，我們的掌控力更弱。這其中，最為嚴(yán)重的屬網(wǎng)絡(luò)問題，網(wǎng)絡(luò)相比其它的來說是一個(gè)更大、更復(fù)雜的組織，未知性會(huì)隨著局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)這樣范圍越大越嚴(yán)重。想象一下，每一臺(tái)主機(jī)僅僅是一張大網(wǎng)中的一個(gè)渺小的連接點(diǎn)，它所承載的鏈接越多越容易出現(xiàn)問題。

可能有的小伙伴會(huì)有疑問，其它像硬盤、電源斷電什么的，也有出現(xiàn)問題的可能性，為什么網(wǎng)絡(luò)問題最為嚴(yán)重呢？其實(shí)硬盤、電源好比是你身體的一部分，如手和腳。而網(wǎng)絡(luò)是人與人之間溝通的渠道，比如手機(jī)通話，雖然你沒有主動(dòng)掛斷電話，但是整個(gè)通話過程是有很多可能性導(dǎo)致中斷的，對(duì)方的主觀意愿也好、信號(hào)不好也罷，甚至被第三者給攔截了。相信大家也能認(rèn)可，打電話出現(xiàn)異常的概率相比自己的手腳不聽使喚是高很多的吧。

現(xiàn)實(shí)中網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，常遇到的問題如：延遲、丟包、亂序等問題。為了解決這些問題，從互聯(lián)網(wǎng)第一次出現(xiàn)的1969年（當(dāng)年美軍在ARPA制定的協(xié)定下用網(wǎng)絡(luò)連接了4所大學(xué)）到現(xiàn)在，幾十年間出了很多的理論和解決方案，這些會(huì)在后續(xù)的文章中給大家一一做梳理。本文先和大家具體剖析下什么是一致性。

04

首先什么叫達(dá)成一致了？說起來很簡單：

在任意時(shí)間、任意位置看到的同一個(gè)事物是完全一致的。

比如一場(chǎng)足球賽。我們不管在現(xiàn)場(chǎng)還是在電視機(jī)前，看到足球從球員A傳給球員B，這個(gè)信息都是一樣的。但是嚴(yán)格意義上來說，這個(gè)并稱不上真正的一致，因?yàn)殡娨暀C(jī)接收到這個(gè)信息需要經(jīng)過衛(wèi)星信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)等的傳輸，我們看到的時(shí)候相比現(xiàn)場(chǎng)的人肯定要晚。哪怕在現(xiàn)場(chǎng)的人，根據(jù)他所處的位置理論上看到的信息也存在延遲差，只是因?yàn)楣馑俜浅？欤沟迷谙嗖顜装倜字畠?nèi)，這個(gè)延遲小到完全感受不到而已。

能得出的結(jié)論是：在考慮時(shí)間維度的情況下，不存在真正意義上的一致。

況且我們?cè)诜植际较到y(tǒng)中，也沒有必要去達(dá)到真正的意義上的一致。因?yàn)樵节吔谝恢拢到y(tǒng)相當(dāng)于又歸一成一個(gè)單體了，在某一個(gè)時(shí)刻，只能做一件事，完全喪失了分布式系統(tǒng)的兩個(gè)目的之一“快”的優(yōu)勢(shì)。也因此衍生出多種一致性的變種，分別適用于不同的場(chǎng)景。為了便于理解，我們從嚴(yán)格程度的低到高來說。

大多數(shù)情況下，為了盡可能的“快”，系統(tǒng)中使用的大部分方案都是所謂的最終一致性，也就容忍一定條件下的不一致，優(yōu)先保證局部一致，然后再通過一系列復(fù)雜的狀態(tài)同步達(dá)到全局的一致。最終一致性很多可實(shí)現(xiàn)的分支，列出幾種常見的，拋磚引玉一下：

因果一致性：僅要求有因果關(guān)系的操作順序得到保證。比如朋友圈的回復(fù)功能。問“飯吃了嗎？”肯定得在回答“吃了”之前。

讀你所寫一致性：文字看著別扭，但很好解釋。比如你在朋友圈下面回復(fù)一句話，其它好友可以不用馬上看到你的回復(fù)，但是你自己必須得馬上看到，要不然回復(fù)到哪去了？

會(huì)話一致性：與人的一次聊天可以理解為一次會(huì)話。聊天雖然也有一定的因果關(guān)系，但是大部分場(chǎng)景下更多的是邏輯上的先后關(guān)系。比如你闡述一個(gè)事情，分為3條信息：首先...，然后...，最后...。如果這里的一致性得不到保證那么可能會(huì)變成：最后...，首先...，然后...。

比局部一致更嚴(yán)格一些的就是全局的順序一致性[附錄1,1979年提出]，保證所有進(jìn)程看到的全局執(zhí)行順序一致，并且每個(gè)進(jìn)程自身的執(zhí)行順序和實(shí)際發(fā)生順序一致。像上面提到的足球賽，比如實(shí)際發(fā)生的事情是①梅西把球傳給了C羅，②C羅又把球回傳給了梅西，那么每個(gè)人看到順序都應(yīng)該是這樣。哪怕現(xiàn)場(chǎng)觀眾已經(jīng)看到②了，電視機(jī)前的我們還沒看到①，但是沒關(guān)系，這個(gè)事情發(fā)生的順序，對(duì)全世界來說都是一樣的。

再嚴(yán)格一些，就是在全局的順序一致性基礎(chǔ)上再增加一個(gè)相對(duì)時(shí)間的一致性要求，業(yè)界稱之為線性一致性[附錄2,1990年提出]。還是用上面梅西和C羅相互傳球的例子來做個(gè)比喻，相當(dāng)于梅西傳出球給C羅之后，整個(gè)球場(chǎng)“暫停”了，要等所有在觀看這場(chǎng)球賽的人都接收到這個(gè)傳球信息之后，C羅才能做下一個(gè)回傳。這里需要一個(gè)上帝（全局時(shí)鐘）來“暫停”。這是我們實(shí)際可以做到的極限了，滿足這類要求的系統(tǒng)中，名氣最大的就屬Google的Spanner了。

對(duì)不同級(jí)別的一致性匯總概述如下：

05

這篇就到這吧，原本還想一次性寫完的，發(fā)現(xiàn)內(nèi)容實(shí)在太多，上萬字的文章，估計(jì)很多人都沒有看下去的勇氣了。

如何解決一致性問題，且聽下回分解~

分布式

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