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【Zookeeper靈魂】一個關於Paxos演算法的故事

Zookeeper預設採用FastLeaderElection演算法,然而FastLeaderElection對於Zookeeper來講只是相當於paxos中的leader選舉。
  下面我們用最簡單的方式加以描述並建立起Paxos和ZKServer的對應關係。
  
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  Paxos描述了這樣一個場景:
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  1、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)。
  2、議員的總數(SenatorCount)是確定的,不能更改。
  3、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。
  4、每個提議都需要超過半數((SenatorCount)/2+1)的議員同意才能生效。
  5、每個議員只會同意大於當前編號的提議,包括已生效的和未生效的。
  6、如果議員收到小於等於當前編號的提議,他會拒絕,並告知對方:你的提議已經有人提過了。這裡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:保證所有的議員對於提議都能達成一致的看法。
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  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,那麼我的這個提議的編號就是1,於是他給所有議員發訊息:1號提議,設定電費1元/度。其他議員收到訊息以後查了一下記事本,哦,當前提議編號是0,這個提議可接受,於是他記錄下這個提議並回復: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覆,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,他會檢視法令並告訴對方:1元/度。
現在看衝突的解決:
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  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,於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,這個提議的編號小於等於我的當前編號1,於是他拒絕了這個提議:對不起,這個提議先前提過了。於是S2的提議被拒絕,S1正式釋出了提議:1號提議生效。S2向S1或者S3打聽並更新了1號法令的內容,然後他可以選擇繼續發起2號提議。
  好,我覺得Paxos的精華就這麼多內容。現在讓我們來對號入座,看看在ZKServer裡面Paxos是如何得以貫徹實施的。
  小島(Island)——ZKServerCluster
  議員(Senator)——ZKServer
  提議(Proposal)——ZNodeChange(Create/Delete/SetData…)
  提議編號(PID)——Zxid(ZooKeeperTransactionId)
正式法令——所有ZNode及其資料:
  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ZKServer好像有一個Leader的概念。沒錯,其實Leader的概念也應該屬於Paxos範疇的。如果議員人人平等,在某種情況下會由於提議的衝突而產生一個“活鎖”(所謂活鎖我的理解是大家都沒有死,都在動,但是一直解決不了衝突問題)。Paxos的作者Lamport在他的文章”ThePart-TimeParliament“中闡述了這個問題並給出瞭解決方案——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,必須發給總統並由總統來提出。好,我們又多了一個角色:總統。
  總統——ZKServerLeader
又一個問題產生了,總統怎麼選出來的?
  現在我們假設總統已經選好了,下面看看ZKServer是怎麼實施的。
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情況一:
  屁民甲(Client)到某個議員(ZKServer)那裡詢問(Get)某條法令的情況(ZNode的資料),議員毫不猶豫的拿出他的記事本(localstorage),查閱法令並告訴他結果,同時宣告:我的資料不一定是最新的。你想要最新的資料?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(ZKServer)那裡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,於是總統發表宣告,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函式返回)。
情況三:
  總統突然掛了,議員接二連三的發現聯絡不上總統,於是各自發表宣告,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的演算法中找到原型並加以解決。這也正是我們認為Paxos是Zookeeper的靈魂的原因。當然ZKServer還有很多屬於自己特性的東西:Session,Watcher,Version等等,需要我們花更多的時間去研究和學習。