一致性协议

一致性协议

基于CAP理论，在分布式系统设计过程中，系统的可用性和数据一致性需要我们反复的去权衡，于是就产生了很多经典的数据一致性协议，比如2PC、3PC, PAXOS等。

2PC协议

2PC是Two Phase Commit的缩写，即两阶段提交。所谓的两个阶段是指：第一阶段：准备阶段(投票阶段)和第二阶段：提交阶段（执行阶段）。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(比如将更新后的数据写入磁盘等等)。因此，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。

协议说明

阶段一：提交事务请求

1. 事务询问
   协调者向所有的参与者发送事务内容，询问是否可以执行事务提交操作，并开始等待各个响应者的反馈。
2. 执行事务
   各参与者执行事务操作，并将Undo和Redo信息记入事务日志中。
3. 执行事务
   各参与者向协调者反馈事务询问的响应
   如果参与者成功执行了事务操作，那么就反馈给协调者Yes响应，表示事务可以执行；如果参与者没有成功执行事务，那么就反馈给协调者No响应，表示事务不可以执行。

阶段二：执行事务提交

在阶段二中，协调者会根据阶段一中各参与者的反馈情况来决定最终是否可以进行事务的提交，主要包含以下两种可能：

执行事务提交
假如协调者从所有的参与者得到的反馈全是Yes，那么协调者就会执行事务提交操作。

1. 发送提交请求
   协调者向所有的参与者发出Commit请求。
2. 事务提交
   参与者收到协调者的Commit请求后，会正式的执行事务提交操作，并在完成之后释放执行事务期间占有的相关资源。
3. 反馈事务提交结果
   参与者在完成事务提交之后，向协调者发送Ack确认消息。
4. 完成事务
   协调者接收到所有参与者反馈的Ack消息后，完成事务。

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执行事务提交
假如任何一个参与者向协调者反馈了No响应，或者在等待超时之后，协调者尚无收到所有参与者的反馈响应，那么协调者就会中断事务。

1. 发送回滚请求
   协调者向所有的参与者发出Rollback请求。
2. 事务回滚
   参与者收到协调者的Rollback请求后，会利用在阶段一中记录的Undo信息来执行事务的回滚操作，并在回滚之后释放占有的相关的资源会正式的执行事务提交操作，并在完成之后释放执行事务期间占有的相关资源。
3. 反馈事务回滚结果
   参与者在完成事务回滚之后，向协调者发送Ack确认消息。
4. 中断事务
   协调者接收到所有参与者反馈的Ack消息后，完成事务中断。

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2PC优缺点

优点就不用说了，原理简单，实现起来比较容易；缺点还是需要详细介绍下的，主要包含以下几点：

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. 二阶段无法解决的问题：协调者再发出commit消息之后宕机，而唯一接收到这条消息的参与者同时也宕机了。那么即使协调者通过选举协议产生了新的协调者，这条事务的状态也是不确定的，没人知道事务是否被已经提交。

3PC协议

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。与两阶段提交不同的是，三阶段提交有两个改动点：

1. 引入超时机制。同时在协调者和参与者中都引入超时机制。
2. 在第一阶段和第二阶段中插入一个准备阶段。保证了在最后提交阶段之前各参与节点的状态是一致的。

也就是说，除了引入超时机制之外，3PC把2PC的准备阶段再次一分为二，这样三阶段提交就有CanCommit、PreCommit、DoCommit三个阶段。

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阶段一：CanCommit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

阶段二：PreCommit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：
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。

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。

阶段三：doCommit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。

在doCommit阶段，如果参与者无法及时接收到来自协调者的doCommit或者rebort请求时，会在等待超时之后，会继续进行事务的提交。（其实这个应该是基于概率来决定的，当进入第三阶段时，说明参与者在第二阶段已经收到了PreCommit请求，那么协调者产生PreCommit请求的前提条件是他在第二阶段开始之前，收到所有参与者的CanCommit响应都是Yes。（一旦参与者收到了PreCommit，意味他知道大家其实都同意修改了）所以，一句话概括就是，当进入第三阶段时，由于网络超时等原因，虽然参与者没有收到commit或者abort响应，但是他有理由相信：成功提交的几率很大。

3PC优缺点

相比较于2PC协议，三阶段提交最大的优点就是降低了参与者的阻塞范围，并且能后在出现单点故障后继续达成一致，但是也引入了新的问题，例如在参与者接收到preCommit消息后，如果出现网络分区，此时协调者所在的节点和参与者无法进行正常的网络通信，在这种情况下，该参与者依然会进行事务的提交，最终造成数据的不一致问题。

关于PAXOS协议，感觉还是理解的不太透测，后续的文章在介绍吧。