分布式基础

1、分布式简介

1.1、分布式定义

分布式系统是一个硬件或软件组件分布在不同的网络计算机上，彼此之间仅仅通过消息传递进行通信和协调的系统。

1.2、分布式特点

1. 分布性：分布式系统中的多台计算机都会在空间上随意分布，同时，机器的分布情况也会随时变动。
2. 对等性：分布式系统中的计算机没有主/从之分，既没有控制整个系统的主机，也没有被控制的从机，组成分布式系统的所有计算机节点都是对等的。副本(Replica)是分布式系统最常见的概念之一，指的是分布式系统对数据和服务提供的一种冗余方式。在常见的分布式系统中，为了对外提供高可用的服务，我们往往会对数据和服务进行副本处理。数据副本是指在不同的节点上持久化同一份数据，当某一个节点上存储的数据丢失时，可以从副本上读取到该数据，这是解决分布式系统数据丢失问题最为有效的手段。另一类副本是服务副本，指多个节点提供同样的服务，每个节点都有能力接收来自外部的请求并进行相应的处理。
3. 并发性:在“问题的提出”部分，我们已经提到过与“更新的并发性”相关的内容。在一个计算机网络中，程序运行过程中的并发性操作是非常常见的行为，例如同一个分布式系统中的多个节点，可能会并发地操作一些共享的资源，诸如数据库或分布式存储等，如何准确并高效地协调分布式并发操作也成为了分布式系统架构与设计中最大的挑战之一。
4. 缺乏全局时钟:一个典型的分布式系统是由一系列在空间上随意分布的多个进程组成的，具有明显的分布性，这些进程之间通过交换消息来进行相互通信。因此，在分布式系统中，很难定义两个事件究竟谁先谁后，原因就是因为分布式系统缺乏一个全局的时钟序列控制。
5. 故障总是会发生:组成分布式系统的所有计算机，都有可能发生任何形式的故障。一个被大量工程实践所检验过的黄金定理是：**任何在设计阶段考虑到的异常情况，一定会在系统实际运行中发生，并且，在系统实际运行过程中还会遇到很多在设计时未能考虑到的异常故障。**所以，除非需求指标允许，在系统设计时不能放过任何异常情况。

1.3、分布式环境的典型问题

1. 通信异常：从集中式向分布式演变的过程中，必然引入了网络因素，而由于网络本身的不可靠性，因此也引入了额外的问题。分布式系统需要在各个节点之间进行网络通信，因此每次网络通信都会伴随着网络不可用的风险，网络光纤、路由器或是DNS等硬件设备或是系统不可用都会导致最终分布式系统无法顺利完成一次网络通信。另外，即使分布式系统各节点之间的网络通信能够正常进行，其延时也会远大于单机操作。通常我们认为在现代计算机体系结构中，单机内存访问的延时在纳秒数量级（通常是10ns左右），而正常的一次网络通信的延迟在0.1～1ms左右（相当于内存访问延时的105～106倍），如此巨大的延时差别，也会影响消息的收发的过程，因此消息丢失和消息延迟变得非常普遍。
2. 网络分区:当网络由于发生异常情况，导致分布式系统中部分节点之间的网络延时不断增大，最终导致组成分布式系统的所有节点中，只有部分节点之间能够进行正常通信，而另一些节点则不能——我们将这个现象称为网络分区，就是俗称的“脑裂”。当网络分区出现时，分布式系统会出现局部小集群，在极端情况下，这些局部小集群会独立完成原本需要整个分布式系统才能完成的功能，包括对数据的事务处理，这就对分布式一致性提出了非常大的挑战。
3. 三态：在分布式环境下，网络可能会出现各式各样的问题，因此分布式系统的每一次请求与响应，存在特有的“三态”概念，即成功、失败与超时。在传统的单机系统中，应用程序在调用一个函数之后，能够得到一个非常明确的响应：成功或失败。而在分布式系统中，由于网络是不可靠的，虽然在绝大部分情况下，网络通信也能够接收到成功或失败的响应，但是当网络出现异常的情况下，就可能会出现超时现象，通常有以下两种情况：（1）由于网络原因，该请求（消息）并没有被成功地发送到接收方，而是在发送过程就发生了消息丢失现象。（2）该请求（消息）成功的被接收方接收后，并进行了处理，但是在将响应反馈给发送方的过程中，发生了消息丢失现象。当出现这样的超时现象时，网络通信的发起方是无法确定当前请求是否被成功处理的。
4. 节点故障：节点故障则是分布式环境下另一个比较常见的问题，指的是组成分布式系统的服务器节点出现的宕机或“僵死”现象。通常根据经验来说，每个节点都有可能会出现故障，并且每天都在发生。

2、分布式事物

分布式事务是指事务的参与者、支持事务的服务器、资源服务器以及事务管理器分别位于分布式系统的不同节点之上。通常一个分布式事务中会涉及对多个数据源或业务系统的操作。

设想一个最典型的分布式事务场景：一个跨银行的转账操作涉及调用两个异地的银行服务，其中一个是本地银行提供的取款服务，另一个则是目标银行提供的存款服务，这两个服务本身是无状态并且是互相独立的，共同构成了一个完整的分布式事务。假设客户小明在北京分行账户有100万存款，今天早上小明从北京银分行账户取款20万转账到上海分行，但是因为某种原因上海分行的存款服务失败了，那么北京分行的存款服务就必须回滚到取款前的状态，否则小明可能会发现自己的20万不翼而飞了。

从上面这个例子中，我们可以看到，一个分布式事务可以看作是由多个分布式的操作序列组成的，例如上面例子中的取款服务和存款服务，通常可以把这一系列分布式的操作序列称为子事务。因此，分布式事务也可以被定义为一种嵌套型的事务，同时也就具有了ACID事务特性。但由于在分布式事务中，各个子事务的执行是分布式的，因此要实现一种能够保证ACID特性的分布式事务处理系统就显得格外复杂。