EStateBox For CRDTs

EStateBox

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estatebox 参照于statebox实现的,主要用来解决在分布式中的版本冲突问题,在Dynamo算法中,CRDTs (Conflict-free Replicated Data Types)是一种比较好的解决冲突的方法,要满足CRDTs,数据类型可以总结为:

  • 满足结合率

  • 满足交换率

  • 满足幂等性

EStateBox中:

  • An op() must be repeatable: F(Arg, F(Arg, Value)) =:= F(Arg, Value)
  • If the {fun(), [term()]} form is used, the fun() should be a reference to an exported function.
  • F(Arg, Value) should return the same type as Value.

当然,在其他情况下可以不完全满足这些条件,可以参照一些RiakVClock

Overview:

EStateBox是一种数据结构,这种数据结构在最终一致性系统中,如riak,可以用一种确定的方法来解决并行冲突。EStateBox只是一个事件的集合,这种事件的集合会导致唯一一个结果,所以这些事件必须满足一定的条件,这些条件如上所示。和Riak VClock比较相似,他们都保持每一个的操作方法 和 操作数

Status:

Mochi Media平台中,已经使用在多后端服务。

Theory

EStateBox 包含一个当前值和一个事件队列,事件队列是一个按{timestamp(), op()}排列的有序列表。当有2个或者更多的EStateBoxEStateBox.merge/1合并,事件队列被lists.umerge/1合并,操作被执行于更新当前最新的EStatBox时, 将会产生一个新的EStateBox.

  • op()是一个{fun(), [term()]}的元组结构,除了最后一个参数,所有的参数都被指定在这个列表中。如:{ordsets:add_element/2, [a]};

  • op()也可以是一个{module(), atom(), [term()]}元组;

  • op()列表也可以表示在相同的时间戳的多个操作

下面是一些安全使用op的例子:

  • op()必须是幂等的: fn(arg, fn(arg, value)) =:= f(arg, value)

  • 如果{fn(), [term()]}可以使用,fn必须是可导出的

  • fn(arg, value)应该返回和value相同的值

erlang中 ,下面的函数都是可以安全使用:

  • {fun ordsets:add_element/2, [SomeElem]} and {fun ordsets:del_element/2, [SomeElem]}

  • {fun ordsets:union/2, [SomeOrdset]} and {fun ordsets:subtract/2, [SomeOrdset]}

  • {fun orddict:store/3, [Key, Value]}

有一些是不可以使用的:

  • {fun orddict:update_counter, [Key, Inc]} , 因为F(a, 1, [{a, 0}]) =/= F(a, 1 , F(a, 0}])), 可以看出不满足幂等性质。

Optiomizations

为了防止EStateBox过大,浪费不必要的内存,这里有两个函数用来裁剪Qeueu的大小,分别是:

  • truncate(n, stateBox) 返回小于n个事件的队列

  • expire(age, stateBox) 返回以lastmodified为基准的Agemilliseconds的数据.

Merge

EStateBox的合并完全是根据timestamp来合并的,选取最新的一个,如果timestamp一样,会自动选取一个,这种方法处理方便,但是不是一个好的方法(有更好的方法?^>^),因为在分布式环境中时钟不一定是同步的。

op1 -> value: []
op2 -> value: [1]
op3-> value: [1, 2]
op4 -> value: [1, 2, 3]
op5 -> value: [1, 2, 3, 4]
op6 -> value: [1, 2, 3, 4, 5]
op7 -> value: [1, 2, 3, 4, 5, 6]
op8 -> value: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
op9 -> value: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
op10 -> value: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

Queue:
[ {1, {&:ordsets.add_element/2, [1]}},
  {2, {&:ordsets.add_element/2, [2]}},
  {3, {&:ordsets.add_element/2, [3]}},
  {4, {&:ordsets.add_element/2, [4]}},
  {5, {&:ordsets.add_element/2, [5]}},
  {6, {&:ordsets.add_element/2, [6]}},
  {7, {&:ordsets.add_element/2, '\a'}},
  {8, {&:ordsets.add_element/2, '\b'}},
  {9, {&:ordsets.add_element/2, '\t'}},
  {10, {&:ordsets.add_element/2, '\n'}}]

Merge 过程

@spec merge([StateBox]) :: StateBox
def merge([state]), do: state
def merge(unordered) do
  %StateBox{value: v, last_modified: t} = newest(unordered)
  queue = unordered |>
    Enum.map(fn(%StateBox{queue: q}) -> q end) |>
   :lists.umerge
  new(t, apply_queue(v, queue), queue)
end

Merge首先找出最大时间戳的StateBox,然后umergemultiple statebox,最后apply_queue(v, queue),将操作重新再次操作一次,因为这时候的queue是合并后得queue,所以算出来的结果是所有节点(statebox)的值,这也符合最终一致性的思想,其实这里的操作已经包含v了,不过这并不会影响到最终的结果。

Merge Queue:
[{1, {&:orddict.store/3, [:c, :c]}}, {1, {&:orddict.store/3, [:key, :a]}}, {1, {&:orddict.store/3, [:key, :b]}}]
value: [c: :c, key: :b]


Counter

Data Struct

counter的数据结构如下:

 @type op :: EStateBox.op()
 @type timestamp() :: EStatebox.Clock.timestamp()
 @type timedelta() :: EStateBox.timedelta()
 @type counter_id() :: EStatebox.Identity.entropy() | :acc
 @type counter_key() :: {timestamp(), counter_id()}
 @type counter_op() :: {counter_key(), integer()}
 @type counter() :: [counter_op()]

即是 counter -> [{{timestampentropy|:acc}, Integer}]



Function Analysic

f_inc_acc(value, age, key = {timestamp, _id})

返回一个自增 或者 增加的counter StateBox Event

value --> counter = into `inc(timestamp, key)`
    |
    |
 Age  --> accumute(Age, counter)

@params

 value:  是一个delta,就是一个整数,便是本次叠加的value
 age:counter events的最大时间, 这个值和key中timestamp 一起用, 会被用在TA=(timestamp-Age), TA之前的值会被计算
 key:是一个counter event 的key

这个函数会返回一个op, op的函数体为EStateBox.Counter.op_inc_acc/4, 在如果想插入小于:acc时间戳counter event是不允许的。

Test Case:

    test "f_inc_acc_test" do
    ¦ # we should expect to get unique enough results from our entropy and
    ¦ # timestamp even if the frequency is high.
    ¦ fincacc =  1..1000 |> enum.map(fn(_) -> estatebox.counter.f_inc_acc(1, 1000) end)
    ¦ ctr = :lists.foldl(&estatebox.apply_op/2, [], fincacc)
    ¦ assert 1000 === estatebox.counter.value(ctr)
    end


inc(counter_key, Integer, counter) :: counter

  Return a new counter with the given counter event, If there is an ":acc" at or before the
  timestamp of the given key then this is a a no-op

  @spec inc(counter_key, Integer, counter) ::  counter
  def inc({t1, _}, _, counter = [{{t0, :acc}, _} | _]) when t1 <= t0, do: counter
  def inc(key, value, counter), do: :orddict.store(key, value, counter)

@params

key : counter 的id, 格式为{timestamp, counter_id} , counter_id = entropy|:acc, counter_id可以重复
value : 操作数
counter:被操作的counter

增加一个额外的event counter 到指定的counter中去。

Test Case

   test "inc_test" do
   ¦ c0 = []
   ¦ c1 = EStateBox.Counter.inc({1, 1}, 1, c0)
   ¦ c2 = EStateBox.Counter.inc({2, 2}, 1, c1)

   ¦ assert 0 === EStateBox.Counter.value(c0)
   ¦ assert 1 === EStateBox.Counter.value(c1)
   ¦ assert 2 === EStateBox.Counter.value(c2)
   ¦ c1 = EStateBox.Counter.inc({3, 1}, 1, c1)
   ¦ assert 2 === EStateBox.Counter.value(c1)
   end

merge([counter]) :: counter -> merge(counter) --> prune(counter) --> :listsumerge(counter)

   @doc """
    Merge the given list of counters and return a new counter
    with the union of that history.
    """

   def merge([counter]), do: counter
   def merge(counters), do: :orddict.for_list(merge_prune(counters))

merge 会根据相同Id 的event counter merge掉。

这种的merge,在网络分区的时候会出现数据的丢失,除非可以确定协调唯一,具体细节可以看try try try 最后一个例子

Example

 test "merge test" do
    ¦ c0 = []
    ¦ c1 = EStateBox.Counter.inc({1, 1}, 1, c0)
    ¦ c2 = EStateBox.Counter.inc({2, 2}, 1, c1)

    ¦ assert 2 === EStateBox.Counter.value(EStateBox.Counter.merge([c0, c1, c2]))
    ¦ assert 1 === EStateBox.Counter.value(EStateBox.Counter.merge([c0, c1, c1]))
    ¦ assert 1 === EStateBox.Counter.value(EStateBox.Counter.merge([c1]))
    ¦ assert 1 === EStateBox.Counter.value(EStateBox.Counter.merge([c0, c1]))
 end
  • old counter test

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