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<从PAXOS到ZOOKEEPER分布式一致性原理与实践>读书笔记-两阶段提交与三阶段提交

时间:2016-05-12 20:30:34      阅读:297      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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一、背景

本书第一章的分布式架构,写了从单机的acid到分布式的CAP.参见之前的文章。本篇是第二章的一致性协议部分,分两篇整理。
在分布式系统中,为了保证数据的高可用,通常,我们会将数据保留多个副本(replica),这些副本会放置在不同的物理的机器上。为了对用户提供正确的增\删\改\查等语义,我们需要保证这些放置在不同物理机器上的副本是一致的。
为了解决这种分布式一致性问题,有很多经典算法:如二阶段提交、三阶段提交,paxos算法。

二、二阶段提交(2PC)


二阶段提交(Two-phaseCommit)是指,在计算机网络以及数据库领域内,为了使基于分布式系统架构下的所有节点在进行事务提交时保持原子性和一致性而设计的一种算法。通常,二阶段提交也被称为是一种协议。
在分布式系统中,每个节点虽然可以知晓自己的操作时成功或者失败,却无法知道其他节点的操作的成功或失败。当一个事务跨越多个节点时,为了保持事务的ACID特性,需要引入一个作为协调者的组件来统一掌控所有节点(称作参与者)的操作结果并最终指示这些节点是否要把操作结果进行真正的提交。二阶段提交的算法思路可以概括为:参与者将操作成败通知协调者,再由协调者根据所有参与者的反馈情报决定各参与者是否要提交操作还是中止操作。

2.1协议说明:

阶段一:提交事务请求

1)协调者节点向所有参与者节点询问是否可以执行提交操作(vote),并开始等待各参与者节点的响应。

2)参与者节点执行询问发起为止的所有事务操作,并将Undo信息和Redo信息写入日志。

3)各参与者节点响应协调者节点发起的询问。如果参与者节点的事务操作实际执行成功,则它返回一个“YES”消息;如果参与者节点的事务操作实际执行失败,则它返回一个"NO”消息。

阶段一也叫投票阶段。

阶段二:执行事务请求
协调者会根据各参与者的反馈情况来决定最终是否可以进行事物提交操作,所以分为以下两种情况:
执行事物提交
当协调者节点从所有参与者节点获得的相应消息都为“YES”时:

)协调者节点向所有参与者节点发出”正式提交(commit)”的请求。

2)参与者节点接受到COMMIT请求后正式完成操作,并释放在整个事务期间内占用的资源。

3)参与者节点向协调者节点发送"ACK”消息。

4)协调者节点受到所有参与者节点反馈的"ACK”消息后,完成事务。

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中断事物

如果任一参与者节点在第一阶段返回的响应消息为“NO”,或者 协调者节点在第一阶段的询问超时之前无法获取所有参与者节点的响应消息时,那么就会中断事物。

1)协调者节点向所有参与者节点发出”回滚操作(rollback)”的请求。

2)参与者节点利用之前写入的Undo信息执行回滚,并释放在整个事务期间内占用的资源。

3)参与者节点向协调者节点发送"ACK”消息。

4)协调者节点受到所有参与者节点反馈的"ACK”消息后,完成事务中断。

不管最后结果如何,第二阶段都会结束当前事务。

流程图如下:
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简单来看:二阶段提交将一个事物的处理过程分为了投票和执行阶段,是一个先尝试再提交的过程,是一个强一致性的算法。

2.2优缺点:

优点:原理简单,实现方便。
缺点:

1、同步阻塞问题。执行过程中,所有参与节点都是事务阻塞型的。当参与者占有公共资源时,其他第三方节点访问公共资源不得不处于阻塞状态。

2、单点故障。由于协调者的重要性,一旦协调者发生故障。参与者会一直阻塞下去。尤其在第二阶段,协调者发生故障,那么所有的参与者还都处于锁定事务资源的状态中,而无法继续完成事务操作。(如果是协调者挂掉,可以重新选举一个协调者,但是无法解决因为协调者宕机导致的参与者处于阻塞状态的问题)

3、数据不一致。在二阶段提交的阶段二中,当协调者向参与者发送commit请求之后,发生了局部网络异常或者在发送commit请求过程中协调者发生了故障,这回导致只有一部分参与者接受到了commit请求。而在这部分参与者接到commit请求之后就会执行commit操作。但是其他部分未接到commit请求的机器则无法执行事务提交。于是整个分布式系统便出现了数据部一致性的现象。

4、太过保守:二阶段提交缺乏较为完善的容错机制,任意一个节点的失败导致整个事物的失败。

三、三阶段提交(3PC)

三阶段提交(Three-phase commit),也叫三阶段提交协议(Three-phase commit protocol),是二阶段提交(2PC)的改进版本。

3.1协议说明

将二阶段提交协议的“提交事务请求”一分为二,形成了CanCommitPreCommitDoCommit三个阶段。示意图如下:
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3.1.1CanCommit阶段

3PC的CanCommit阶段其实和2PC的准备阶段很像。协调者向参与者发送commit请求,参与者如果可以提交就返回Yes响应,否则返回No响应。

1.事务询问 

协调者向参与者发送CanCommit请求。询问是否可以执行事务提交操作。然后开始等待参与者的响应。

2.响应反馈 

参与者接到CanCommit请求之后,正常情况下,如果其自身认为可以顺利执行事务,则返回Yes响应,并进入预备状态。否则反馈No

3.1.2PreCommit阶段

协调者根据参与者的反应情况来决定是否可以记性事务的PreCommit操作。根据响应情况,有以下两种可能。

执行事务预提交

假如协调者从所有的参与者获得的反馈都是Yes响应,那么就会执行事务的预执行。

1.发送预提交请求 协调者向参与者发送PreCommit请求,并进入Prepared阶段。

2.事务预提交 参与者接收到PreCommit请求后,会执行事务操作,并将undo和redo信息记录到事务日志中。

3.响应反馈 如果参与者成功的执行了事务操作,则返回ACK响应,同时开始等待最终指令。

中断事物

假如有任何一个参与者向协调者发送了No响应,或者等待超时之后,协调者都没有接到参与者的响应,那么就执行事务的中断。

1.发送中断请求 协调者向所有参与者发送abort请求。

2.中断事务 参与者收到来自协调者的abort请求之后(或超时之后,仍未收到协调者的请求),执行事务的中断。

3.1.3docommit阶段

该阶段进行真正的事务提交,也可以分为以下两种情况。

执行提交

1.发送提交请求 协调接收到参与者发送的ACK响应,那么他将从预提交状态进入到提交状态。并向所有参与者发送doCommit请求。

2.事务提交 参与者接收到doCommit请求之后,执行正式的事务提交。并在完成事务提交之后释放所有事务资源。

3.响应反馈 事务提交完之后,向协调者发送Ack响应。

4.完成事务 协调者接收到所有参与者的ack响应之后,完成事务。

中断事务 

协调者没有接收到参与者发送的ACK响应(可能是接受者发送的不是ACK响应,也可能响应超时),那么就会执行中断事务。

1.发送中断请求 协调者向所有参与者发送abort请求

2.事务回滚 参与者接收到abort请求之后,利用其在阶段二记录的undo信息来执行事务的回滚操作,并在完成回滚之后释放所有的事务资源。

3.反馈结果 参与者完成事务回滚之后,向协调者发送ACK消息

4.中断事务 协调者接收到参与者反馈的ACK消息之后,执行事务的中断。

注意:

阶段三,可能会出现:协调者出现问题,协调者和参与者网络出现故障。无论哪种异常都会导致参与者无法及时接收到来自协调者的doCommit或者rebort请求时,参与者会在等待超时之后,会继续进行事务的提交。

3.2优缺点:

优点:3PC主要解决的单点故障问题,并减少阻塞范围,因为一旦参与者无法及时收到来自协调者的信息之后,他会默认执行commit。而不会一直持有事务资源并处于阻塞状态。

缺点:引入新问题,如果出现网络分区,协调者发送的abort响应没有及时被参与者接收到,那么参与者在等待超时之后执行了commit操作。这样就和其他接到abort命令并执行回滚的参与者之间存在数据不一致的情况。

对于2PC、3PC无法彻底解决分布式一致性问题后,就是paxos。下一篇整理。

<从PAXOS到ZOOKEEPER分布式一致性原理与实践>读书笔记-两阶段提交与三阶段提交

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原文地址:http://blog.csdn.net/bohu83/article/details/51347722

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