Paxos的应用场景

之前介绍了viewservice，但是不能解决单点的问题。换句话说，如果viewserver crash， 那么整个系统就瘫痪了。

为了解决这个问题，一个可以想到的方法就是将单个的viewserver变为多个，而多个server保持同步。而多个server之间的同步问题，涉及到分布式系统中的一致性算法。本文介绍Paxos的概念及实现。

关于Paxos算法，网上相关的文章很多，不过还是建议看lamport的原文。原文通过不断加强约束，一步步的得到最后的结论，即：

For any v and n, if a proposal with value v and number n is issued,then there is a set S consisting of a majority of acceptors such that either (a) no acceptor in S has accepted any proposal numbered less than n, or (b) v is the value of the highest-numbered proposal among all proposals numbered less than n accepted by the acceptors in S .

我们以一个分布式的KV数据库为例，分析Paxos的应用场景。首先，假设数据库对外提供3种操作

• Put

• PutAppend

• Get

在这样的一个架构下，通过多台server组成集群来避免单点问题。但是，如图所示的3台server必须保持同步。也就是说，如果Client向集群发送请求 Put("a", 1)并成功，那么整个集群中任意一台server必须都含有数据("a", 1).

这里的Put("a", 1)就是lamport论文中proposer提出的value，这个稍后解释。对于数据库集群而言，所有的操作都是串行的，就像现在的数据库都提供日志功能一样，每个操作都会记录在日志当中，并而是有先后顺序的。如果我们的集群先后收到3个操作请求，分别为

• Put("a", 1)

• Put("b", 2)

• Put("c", 3)

那么在对于数据库集群而言，应该有这么一个表，类似为

+---+-------------+
|1  |Put("a", 1)  |
+---+-------------+
|2  |Put("b", 2)  |
+---+-------------+
|3  |Put("c", 3)  |
+---+-------------+

我们暂时称它为状态表。

这里的标号1,2,3就对应论文中的Sequence。

下面我们就假设数据库集群是空的，即没有任何数据。客户端发送了上面3个请求，当然，这中间可能存在多个客户端同时发送请求的情况。我们看看整个流程是怎么样的。

首先，假设Client1向集群发送了Put("a", 1)， 这个请求虽然是发给集群的，但实际上最后肯定会落实到某一个具体的server,这个过程可能通过负载均衡等方法得到，并不是我们关心的。我们就假设这个请求发到了server1。这时server1是空的，所以他查询自己的状态表，发现Seq1没有对应的操作，按理说他可以将今天的第一个操作确定为Put("a", 1)，但由于它是集群中的一份子，必须要协商一下。这个协商的过程，就是Paxos。他需要协商的问题是：

第1个操作是否可以为Put("a", 1)

这里的协商过程我们可以理解为一个函数, 函数的参数为操作的序号和操作，返回值为一个操作。

Op doPaxos(int seq, Op v){...}

这里由于只有一个Client提出的操作的请求，不存在竞争，所以协商很顺利，当server1调用这个协商函数的时候，返回的值就是它传入的值，此时我们就可以认为集群中的3台server达成了一个共识，即集群的第一个操作为Put("a", 1)。于是server1将自己的状态表改

+---+-------------+
|1  |Put("a", 1)  |
+---+-------------+

需要注意的是，在协商的过程中，server2与server3也将自己的状态表改为上面的样子。这个状态表同步的过程就是论文中的Learning阶段。
可见，Paxos作为一致性算法，在这里例子当中保证的一致性其实就是状态表的一致性。

有没有协商不顺利的情况呢？ 当然， 有！

这里我们假设有出现了两个客户端，Client2和Client3。接着用上面的例子，Client2向集群发送了请求Put("b", 2),假设这个请求最终到了server1上。同时， Client3向集群发送了请求Put("c", 3), 假设这个求情发到了server2上。

此时server1和server2的状态表是一样的，这一点是由Paxos保证的。他们的不同之处在于：

• server1的数据和server2不同，即server1里面包含一条数据，就是刚刚Client1请求的Put("a", 1), 但是server2是空的。

• server1的sequence为2, 但是server2的sequence仍然为1。原因是server1已经做了一次Put操作，但是server2什么都没有做。

由于server1和server2的不同，因此他们处理各自请求的方式也不同。
先来看server2。server2从1开始遍历自己的状态表，发现1号操作非空，说明这是他遗漏的操作，于是server2也执行了操作Put("a", 1), 此时server2与server1的状态完全一样了。在此之后，server2会向上面server1一样，调用doPaxos函数进行协商，即询问集群中的所有server咱们的第2个操作能否为Put("c", 3)

doPaxos(2, v);

其中v为 Put("c", 3)。

但就在此时，server1也调用了doPaxos进行协商，询问集群中的所有server第2个操作能否为Put("b", 2)。

这里集群中两个server提出了不同的议题(lamport的论文中也使用了这种说法)，Paxos保证了最终会选出一个大家都同意的议题。我们这里假设server1的议题最终被通过了。于是，集群中所有server的状态表都更新为

+---+-------------+
|1  |Put("a", 1)  |
+---+-------------+
|2  |Put("b", 2)  |
+---+-------------+

并且server1向自己的database中插入("b", 2),并将自己的sequence更新为3.

而此时server2发现自己的状态表中sequence2有了对应的操作，但很可惜不是自己提出的那个操作。这条信心表明集群其实已经做了2个操作了，自己想要提出的这个操作Put("c", 3)已经不能作为集群的第2个操作了。于是server2对自己的database进行Put("b", 2)操作, 然后将自己的sequence更新为3。再次调用doPaxos进行协商，试图将自己的操作作为集群的第3个操作，于是doPaxos的参数为

  doPaxos(3, {Put("c", 3)})

此时由于只有一个提议，所以协商很顺利。此时集群中所有server的状态表都为

+---+-------------+
|1  |Put("a", 1)  |
+---+-------------+
|2  |Put("b", 2)  |
+---+-------------+
|3  |Put("c", 3)  |
+---+-------------+

其中，server1包含2条数据，server2包含3条数据，server3为空。

我们假设此时Client1向集群发送了Get("a")请求，并最终发到了server3。由于server3的sequence为, 所以他会从1开始，将自己状态表中的1,2,3号操作就执行一遍，直到到了sequence4时，发现状态表为空，于是进行查询操作，将结果返回Client。
由于Get是只读操作，因此没必要协商，也没必要将其写入状态表。

示例代码：https://github.com/qc1iu/haze-kv/tree/master/src/kvpaxos
原文来自 qc1iu的简书