原理学习（一）——时间，时钟，事件顺序

 原文：Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System.(http://lamport.azurewebsites.net/pubs/time-clocks.pdf?utm_source=hacpai.com)

一些基本概念：

1.分布式系统定义：由一系列在空间上分离开但是可以相互通信的进程(distinctprocesses)组成的系统。

(A distributed system consists of a collection of distinct processes which are spatially separated, and which communicate with one another by exchanging messages。)

狭义的分布式系统：比如内网组成的计算机网络。

广义的分布式系统：计算的CPU，内存单元，输入输出设备也可以视为一个分布式系统（相互独立的进程）。如果进程间通信的时间不是短得可以被忽略（和单线程中事件发生的时间对比），我们就应该把系统认为是分布式系统。（从这个意义上来说，很多并发问题和分布式问题也很接近）

2.happens before：

    a.分布式系统中无法获得精准的物理时间，所以无法用物理时间来定义顺序。（两个事件在非常接近的时间内独立的发生在不同的系统，我们无法通过观察时间来知道谁先谁后。）

    b.系统可以看作是由一系列进程组成，每个进程又可以看作由一个事件（事件可以想成指令集）序列组成。

happens before的定义：

1.如果在同一个进程中事件A先于事件B发生，则A—>B;

2.如果事件A在进程1中发生，然后消息传递到进程2，作为事件B，则A—>B;

3.如果A—>B 并且 B—>C，则A—>C；

如果A和B直接没有happens before关系，那么就说A和B之间是并发的。

注意：这里的定义没有用到物理时钟。可以换一种说法，如果A和B有happens before关系，那么他们之间有某种因果关系，注意这里一个事件(A)发生和传递到另外一个进程(B)是两个不同的事件。happens before关系是客观且唯一的。同时是一个事件的偏序关系（因为有并发存在，并发的事件不存在happens before关系）。

(The relation "---->"on the set of events of a system is the smallest relation satisfying the following three conditions: (1) If A and B are events in the same process, and A comes before B, then A —> B. (2) If A is the sending of a message by one process and B is the receipt of the same message by another process, then A —> B. (3) If A—> B and B—> C then A—>C. Two distinct events a and b are said to be concurrent if a -/-> b and b -/-> a.)

3.逻辑时钟

逻辑时钟是用来衡量事件顺序的一种工具，不是真实的时钟，可以想象成某种编号。

定义：C表示系统的逻辑时钟（集合），Ci表示某个进程i的逻辑时钟，Ci(b)表示逻辑时钟Ci在事件b发生的时候的值，C(a)表示事件a在某个逻辑时钟上的值。

那么逻辑时钟需要满足条件： if a—>b，then C(a) < C(b)，但是C(a) < C(b) 不能推导出 a—>b（因为存在并发的事件，会相互矛盾，详见论文）。也就说是后者是前者的必要不充分条件。这个条件也意味着在相同进程中先后发生事件，或者事件传输的过程中，逻辑时钟的值都必须要增加。对于并发的事件，可能有C(a)C(b)

使用另外一种表述：1.如果在一个进程i中a比b先发生，那么应该有Ci(a)

逻辑时钟的一种实现方式：1.对于相同进程，每次事件发送，逻辑时钟值+1；2.发送事件通讯的时候，带上产生事件的值Ci(a)，事件b到达的时候，按照自增的方式，可以得到一个Cj(b)'，Cj(b)的最终值就取Math.max(Ci(a)+1，Cj(b)')。

4.事件的全序排列

happens before指定了事件的偏序，通过逻辑时钟我们可以给出一个事件的全序排列，尽管这个全序实现的方式不是唯一的。

定义=>表示一种全序关系，A=>B满足且仅需要满足：(i)Ci(A)B，那么一定有 A=>B。

这种全序关系非常重要，比如我们要实现一个分布式锁，这个锁应该有如下的性质：

1.锁只能同时被一个进程持有

2.获得锁的顺序必须跟锁请求发起的顺序一致。（*而不是接收到请求的顺序）

如果两个事件A和B被先后发起（有偏序关系），锁也应该先由事件A持有，再由事件B持有。仅靠中心节点无法保证这个性质，因为后发起的B可能会先到达。更复杂的情况是，A和B是不同的进程发起的，但是也可能会存在某种偏序关系。

3.如果获得锁的进程最终都都会释放锁的话，那么每一个 锁请求最终都会请求成功。

使用逻辑时钟，可以设计一种算法来实现这种分布式锁。

（待补充）