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a52f11f30d
345
ch8.md
345
ch8.md
@ -16,37 +16,37 @@
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[TOC]
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最近几章中反复出现的主题是，系统如何处理错误的事情。例如，我们讨论了**副本故障转移**（“[处理节点中断](#ch5.md#处理节点宕机)”），**复制延迟**（“[复制延迟问题](ch6.md#复制延迟问题)”）和事务控制（“[弱隔离级别](ch7.md#弱隔离级别)”）。当我们了解可能在实际系统中出现的各种边缘情况时，我们会更好地处理它们。
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最近几章中反复出现的主题是，系统如何处理错误的事情。例如，我们讨论了**副本故障转移**（“[处理节点中断](#ch5.md#处理节点宕机)”），**复制延迟**（“[复制延迟问题](ch6.md#复制延迟问题)”）和事务控制（“[弱隔离级别](ch7.md#弱隔离级别)”）。当我们了解可能在实际系统中出现的各种边缘情况时，我们会更好地处理它们。
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但是，尽管我们已经谈了很多错误，但之前几章仍然过于乐观。现实更加黑暗。我们现在将悲观主义最大化，假设任何可能出错的东西**都会**出错[^i]。（经验丰富的系统运维会告诉你，这是一个合理的假设。如果你问得好，他们可能会一边治疗心理创伤一边告诉你一些可怕的故事）
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但是，尽管我们已经谈了很多错误，但之前几章仍然过于乐观。现实更加黑暗。我们现在将悲观主义最大化，假设任何可能出错的东西**都会**出错[^i]。（经验丰富的系统运维会告诉你，这是一个合理的假设。如果你问得好，他们可能会一边治疗心理创伤一边告诉你一些可怕的故事）
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[^i]: 除了一个例外：我们将假定故障是非拜占庭式的（参见“[拜占庭故障](#拜占庭故障)”）。
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使用分布式系统与在一台计算机上编写软件有着根本的区别，主要的区别在于，有许多新的和令人兴奋的方法可以使事情出错【1,2】。在这一章中，我们将了解实践中出现的问题，理解我们能够依赖，和不可以依赖的东西。
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使用分布式系统与在一台计算机上编写软件有着根本的区别，主要的区别在于，有许多新的和令人兴奋的方法可以使事情出错【1,2】。在这一章中，我们将了解实践中出现的问题，理解我们能够依赖，和不可以依赖的东西。
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最后，作为工程师，我们的任务是构建能够完成工作的系统（即满足用户期望的保证），尽管一切都出错了。 在[第9章](ch9.md)中，我们将看看一些可以在分布式系统中提供这种保证的算法的例子。 但首先，在本章中，我们必须了解我们面临的挑战。
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最后，作为工程师，我们的任务是构建能够完成工作的系统（即满足用户期望的保证），尽管一切都出错了。 在[第9章](ch9.md)中，我们将看看一些可以在分布式系统中提供这种保证的算法的例子。 但首先，在本章中，我们必须了解我们面临的挑战。
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本章对分布式系统中可能出现的问题进行彻底的悲观和沮丧的总结。 我们将研究网络的问题（“[无法访问的网络](#无法访问的网络)”）; 时钟和时序问题（“[不可靠时钟](#不可靠时钟)”）; 我们将讨论他们可以避免的程度。 所有这些问题的后果都是困惑的，所以我们将探索如何思考一个分布式系统的状态，以及如何推理发生的事情（“[知识，真相和谎言](#知识，真相和谎言)”）。
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本章对分布式系统中可能出现的问题进行彻底的悲观和沮丧的总结。 我们将研究网络的问题（“[无法访问的网络](#无法访问的网络)”）; 时钟和时序问题（“[不可靠时钟](#不可靠时钟)”）; 我们将讨论他们可以避免的程度。 所有这些问题的后果都是困惑的，所以我们将探索如何思考一个分布式系统的状态，以及如何推理发生的事情（“[知识，真相和谎言](#知识，真相和谎言)”）。
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## 故障与部分失效
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当你在一台计算机上编写一个程序时，它通常会以一种相当可预测的方式运行：无论是工作还是不工作。充满错误的软件可能会让人觉得电脑有时候是“糟糕的一天”（这个问题通常是重新启动的问题），但这主要是软件写得不好的结果。
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当你在一台计算机上编写一个程序时，它通常会以一种相当可预测的方式运行：无论是工作还是不工作。充满错误的软件可能会让人觉得电脑有时候是“糟糕的一天”（这个问题通常是重新启动的问题），但这主要是软件写得不好的结果。
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单个计算机上的软件没有根本性的不可靠原因：当硬件正常工作时，相同的操作总是产生相同的结果（这是确定性的）。如果存在硬件问题（例如，内存损坏或连接器松动），其后果通常是整个系统故障（例如，内核恐慌，“蓝屏死机”，启动失败）。装有良好软件的个人计算机通常要么功能完好，要么完全失效，而不是介于两者之间。
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单个计算机上的软件没有根本性的不可靠原因：当硬件正常工作时，相同的操作总是产生相同的结果（这是确定性的）。如果存在硬件问题（例如，内存损坏或连接器松动），其后果通常是整个系统故障（例如，内核恐慌，“蓝屏死机”，启动失败）。装有良好软件的个人计算机通常要么功能完好，要么完全失效，而不是介于两者之间。
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这是计算机设计中的一个慎重的选择：如果发生内部错误，我们宁愿电脑完全崩溃，而不是返回错误的结果，因为错误的结果很难处理。因为计算机隐藏了模糊不清的物理实现，并呈现出一个理想化的系统模型，并以数学一样的完美的方式运作。 CPU指令总是做同样的事情；如果您将一些数据写入内存或磁盘，那么这些数据将保持不变，并且不会被随机破坏。从第一台数字计算机开始，*始终正确地计算*这个设计目标贯穿始终【3】。
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这是计算机设计中的一个慎重的选择：如果发生内部错误，我们宁愿电脑完全崩溃，而不是返回错误的结果，因为错误的结果很难处理。因为计算机隐藏了模糊不清的物理实现，并呈现出一个理想化的系统模型，并以数学一样的完美的方式运作。 CPU指令总是做同样的事情；如果您将一些数据写入内存或磁盘，那么这些数据将保持不变，并且不会被随机破坏。从第一台数字计算机开始，*始终正确地计算*这个设计目标贯穿始终【3】。
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当你编写运行在多台计算机上的软件时，情况有本质上的区别。在分布式系统中，我们不再处于理想化的系统模型中，我们别无选择，只能面对现实世界的混乱现实。而在现实世界中，各种各样的事情都可能会出现问题【4】，如下面的轶事所述：
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当你编写运行在多台计算机上的软件时，情况有本质上的区别。在分布式系统中，我们不再处于理想化的系统模型中，我们别无选择，只能面对现实世界的混乱现实。而在现实世界中，各种各样的事情都可能会出现问题【4】，如下面的轶事所述：
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> 在我有限的经验中，我已经和很多东西打过交道：单个**数据中心（DC）**中长期存在的网络分区，配电单元PDU故障，开关故障，整个机架意外的电源短路，全直流主干故障，全直流电源故障，以及一个低血糖的司机把他的福特皮卡撞碎在数据中心的HVAC（加热，通风和空气）系统上。而且我甚至不是一个运维。
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> 在我有限的经验中，我已经和很多东西打过交道：单个**数据中心（DC）**中长期存在的网络分区，配电单元PDU故障，开关故障，整个机架意外的电源短路，全直流主干故障，全直流电源故障，以及一个低血糖的司机把他的福特皮卡撞碎在数据中心的HVAC（加热，通风和空气）系统上。而且我甚至不是一个运维。
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> ——柯达黑尔
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在分布式系统中，尽管系统的其他部分工作正常，但系统的某些部分可能会以某种不可预知的方式被破坏。这被称为**部分失效（partial failure）**。难点在于部分失效是**不确定性的（nonderterministic）**：如果你试图做任何涉及多个节点和网络的事情，它有时可能会工作，有时会出现不可预知的失败。正如我们将要看到的，你甚至不知道是否成功了，因为消息通过网络传播的时间也是不确定的！
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在分布式系统中，尽管系统的其他部分工作正常，但系统的某些部分可能会以某种不可预知的方式被破坏。这被称为**部分失效（partial failure）**。难点在于部分失效是**不确定性的（nonderterministic）**：如果你试图做任何涉及多个节点和网络的事情，它有时可能会工作，有时会出现不可预知的失败。正如我们将要看到的，你甚至不知道是否成功了，因为消息通过网络传播的时间也是不确定的！
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这种不确定性和部分失效的可能性，使得分布式系统难以工作【5】。
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这种不确定性和部分失效的可能性，使得分布式系统难以工作【5】。
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### 云计算与超级计算机
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@ -74,9 +74,9 @@
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如果要使分布式系统工作，就必须接受部分故障的可能性，并在软件中建立容错机制。换句话说，我们需要从不可靠的组件构建一个可靠的系统。 （正如“[可靠性](ch1.md#可靠性)”中所讨论的那样，没有完美的可靠性，所以我们需要理解我们可以实际承诺的限制。）
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即使在只有少数节点的小型系统中，考虑部分故障也是很重要的。在一个小系统中，很可能大部分组件在大部分时间都正常工作。然而，迟早会有一部分系统出现故障，软件必须以某种方式处理。故障处理必须是软件设计的一部分，并且作为软件的运维，您需要知道在发生故障的情况下，软件可能会表现出怎样的行为。
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即使在只有少数节点的小型系统中，考虑部分故障也是很重要的。在一个小系统中，很可能大部分组件在大部分时间都正常工作。然而，迟早会有一部分系统出现故障，软件必须以某种方式处理。故障处理必须是软件设计的一部分，并且作为软件的运维，您需要知道在发生故障的情况下，软件可能会表现出怎样的行为。
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简单地假设缺陷很罕见，只是希望始终保持最好的状况是不明智的。考虑一系列可能的错误（甚至是不太可能的错误），并在测试环境中人为地创建这些情况来查看会发生什么是非常重要的。在分布式系统中，怀疑，悲观和偏执狂是值得的。
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简单地假设缺陷很罕见，只是希望始终保持最好的状况是不明智的。考虑一系列可能的错误（甚至是不太可能的错误），并在测试环境中人为地创建这些情况来查看会发生什么是非常重要的。在分布式系统中，怀疑，悲观和偏执狂是值得的。
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> #### 从不可靠的组件构建可靠的系统
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@ -93,11 +93,11 @@
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## 不可靠的网络
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正如在第二部分的介绍中所讨论的那样，我们在本书中关注的分布式系统是无共享的系统，即通过网络连接的一堆机器。网络是这些机器可以通信的唯一途径——我们假设每台机器都有自己的内存和磁盘，一台机器不能访问另一台机器的内存或磁盘（除了通过网络向服务器发出请求）。
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正如在第二部分的介绍中所讨论的那样，我们在本书中关注的分布式系统是无共享的系统，即通过网络连接的一堆机器。网络是这些机器可以通信的唯一途径——我们假设每台机器都有自己的内存和磁盘，一台机器不能访问另一台机器的内存或磁盘（除了通过网络向服务器发出请求）。
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**无共享**并不是构建系统的唯一方式，但它已经成为构建互联网服务的主要方式，其原因如下：相对便宜，因为它不需要特殊的硬件，可以利用商品化的云计算服务，通过跨多个地理分布的数据中心进行冗余可以实现高可靠性。
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**无共享**并不是构建系统的唯一方式，但它已经成为构建互联网服务的主要方式，其原因如下：相对便宜，因为它不需要特殊的硬件，可以利用商品化的云计算服务，通过跨多个地理分布的数据中心进行冗余可以实现高可靠性。
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互联网和数据中心（通常是以太网）中的大多数内部网络都是**异步分组网络（asynchronous packet networks）**。在这种网络中，一个节点可以向另一个节点发送一个消息（一个数据包），但是网络不能保证它什么时候到达，或者是否到达。如果您发送请求并期待响应，则很多事情可能会出错（其中一些如[图8-1](img/fig8-1.png)所示）：
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互联网和数据中心（通常是以太网）中的大多数内部网络都是**异步分组网络（asynchronous packet networks）**。在这种网络中，一个节点可以向另一个节点发送一个消息（一个数据包），但是网络不能保证它什么时候到达，或者是否到达。如果您发送请求并期待响应，则很多事情可能会出错（其中一些如[图8-1](img/fig8-1.png)所示）：
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1. 请求可能已经丢失（可能有人拔掉了网线）。
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2. 请求可能正在排队，稍后将交付（也许网络或收件人超载）。
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@ -110,26 +110,27 @@
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**图8-1 如果发送请求并没有得到响应，则无法区分（a）请求是否丢失，（b）远程节点是否关闭，或（c）响应是否丢失。**
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发送者甚至不能分辨数据包是否被发送：唯一的选择是让接收者发送响应消息，这可能会丢失或延迟。这些问题在异步网络中难以区分：您所拥有的唯一信息是，您尚未收到响应。如果您向另一个节点发送请求并且没有收到响应，则无法说明原因。
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发送者甚至不能分辨数据包是否被发送：唯一的选择是让接收者发送响应消息，这可能会丢失或延迟。这些问题在异步网络中难以区分：您所拥有的唯一信息是，您尚未收到响应。如果您向另一个节点发送请求并且没有收到响应，则无法说明原因。
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处理这个问题的通常方法是**超时（Timeout）**：在一段时间之后放弃等待，并且认为响应不会到达。但是，当发生超时时，你仍然不知道远程节点是否收到了请求（如果请求仍然在某个地方排队，那么即使发件人已经放弃了该请求，仍然可能会将其发送给收件人）。
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处理这个问题的通常方法是**超时（Timeout）**：在一段时间之后放弃等待，并且认为响应不会到达。但是，当发生超时时，你仍然不知道远程节点是否收到了请求（如果请求仍然在某个地方排队，那么即使发件人已经放弃了该请求，仍然可能会将其发送给收件人）。
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### 真实世界的网络故障
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我们几十年来一直在建设计算机网络——有人可能希望现在我们已经找出了使网络变得可靠的方法。但是现在似乎还没有成功。
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有一些系统的研究和大量的轶事证据表明，即使在像一家公司运营的数据中心那样的受控环境中，网络问题也可能出乎意料地普遍。在一家中型数据中心进行的一项研究发现，每个月大约有12个网络故障，其中一半断开一台机器，一半断开整个机架【15】。另一项研究测量了架顶式交换机，汇聚交换机和负载平衡器等组件的故障率【16】。它发现添加冗余网络设备不会像您所希望的那样减少故障，因为它不能防范人为错误（例如，错误配置的交换机），这是造成中断的主要原因。
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我们几十年来一直在建设计算机网络——有人可能希望现在我们已经找出了使网络变得可靠的方法。但是现在似乎还没有成功。
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诸如EC2之类的公有云服务因频繁的暂态网络故障而臭名昭着【14】，管理良好的私有数据中心网络可能是更稳定的环境。尽管如此，没有人不受网络问题的困扰：例如，交换机软件升级过程中的一个问题可能会引发网络拓扑重构，在此期间网络数据包可能会延迟超过一分钟【17】。鲨鱼可能咬住海底电缆并损坏它们 【18】。其他令人惊讶的故障包括网络接口有时会丢弃所有入站数据包，但是成功发送出站数据包 【19】：仅仅因为网络链接在一个方向上工作，并不能保证它也在相反的方向工作。
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有一些系统的研究和大量的轶事证据表明，即使在像一家公司运营的数据中心那样的受控环境中，网络问题也可能出乎意料地普遍。在一家中型数据中心进行的一项研究发现，每个月大约有12个网络故障，其中一半断开一台机器，一半断开整个机架【15】。另一项研究测量了架顶式交换机，汇聚交换机和负载平衡器等组件的故障率【16】。它发现添加冗余网络设备不会像您所希望的那样减少故障，因为它不能防范人为错误（例如，错误配置的交换机），这是造成中断的主要原因。
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诸如EC2之类的公有云服务因频繁的暂态网络故障而臭名昭着【14】，管理良好的私有数据中心网络可能是更稳定的环境。尽管如此，没有人不受网络问题的困扰：例如，交换机软件升级过程中的一个问题可能会引发网络拓扑重构，在此期间网络数据包可能会延迟超过一分钟【17】。鲨鱼可能咬住海底电缆并损坏它们 【18】。其他令人惊讶的故障包括网络接口有时会丢弃所有入站数据包，但是成功发送出站数据包 【19】：仅仅因为网络链接在一个方向上工作，并不能保证它也在相反的方向工作。
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> #### 网络分区
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> 当网络的一部分由于网络故障而被切断时，有时称为**网络分区（network partition）**或**网络断裂（netsplit）**。在本书中，我们通常会坚持使用更一般的术语**网络故障（network fault）**，以避免与[第6章](ch6.md)讨论的存储系统的分区（分片）相混淆。
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> 当网络的一部分由于网络故障而被切断时，有时称为**网络分区（network partition）**或**网络断裂（netsplit）**。在本书中，我们通常会坚持使用更一般的术语**网络故障（network fault）**，以避免与[第6章](ch6.md)讨论的存储系统的分区（分片）相混淆。
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即使网络故障在你的环境中非常罕见，故障可能发生的事实，意味着你的软件需要能够处理它们。无论何时通过网络进行通信，都可能会失败，这是无法避免的。
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即使网络故障在你的环境中非常罕见，故障可能发生的事实，意味着你的软件需要能够处理它们。无论何时通过网络进行通信，都可能会失败，这是无法避免的。
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如果网络故障的错误处理没有定义与测试，武断地讲，各种错误可能都会发生：例如，即使网络恢复【20】，集群可能会发生**死锁**，永久无法为请求提供服务，甚至可能会删除所有的数据【21】。如果软件被置于意料之外的情况下，它可能会做出出乎意料的事情。
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如果网络故障的错误处理没有定义与测试，武断地讲，各种错误可能都会发生：例如，即使网络恢复【20】，集群可能会发生**死锁**，永久无法为请求提供服务，甚至可能会删除所有的数据【21】。如果软件被置于意料之外的情况下，它可能会做出出乎意料的事情。
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处理网络故障并不意味着容忍它们：如果你的网络通常是相当可靠的，一个有效的方法可能是当你的网络遇到问题时，简单地向用户显示一条错误信息。但是，您确实需要知道您的软件如何应对网络问题，并确保系统能够从中恢复。有意识地触发网络问题并测试系统响应（这是Chaos Monkey背后的想法；参阅“[可靠性](ch1.md#可靠性)”）。
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处理网络故障并不意味着容忍它们：如果你的网络通常是相当可靠的，一个有效的方法可能是当你的网络遇到问题时，简单地向用户显示一条错误信息。但是，您确实需要知道您的软件如何应对网络问题，并确保系统能够从中恢复。有意识地触发网络问题并测试系统响应（这是Chaos Monkey背后的想法；参阅“[可靠性](ch1.md#可靠性)”）。
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### 检测故障
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@ -147,25 +148,25 @@
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关于远程节点关闭的快速反馈很有用，但是你不能指望它。即使TCP确认已经传送了一个数据包，应用程序在处理之前可能已经崩溃。如果你想确保一个请求是成功的，你需要应用程序本身的积极响应【24】。
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相反，如果出了什么问题，你可能会在堆栈的某个层次上得到一个错误响应，但总的来说，你必须假设你根本就没有得到任何回应。您可以重试几次（TCP重试是透明的，但是您也可以在应用程序级别重试），等待超时过期，并且如果在超时时间内没有收到响应，则最终声明节点已经死亡。
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相反，如果出了什么问题，你可能会在堆栈的某个层次上得到一个错误响应，但总的来说，你必须假设你根本就没有得到任何回应。您可以重试几次（TCP重试是透明的，但是您也可以在应用程序级别重试），等待超时过期，并且如果在超时时间内没有收到响应，则最终声明节点已经死亡。
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### 超时与无穷的延迟
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如果超时是检测故障的唯一可靠方法，那么超时应该等待多久？不幸的是没有简单的答案。
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如果超时是检测故障的唯一可靠方法，那么超时应该等待多久？不幸的是没有简单的答案。
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长时间的超时意味着长时间等待，直到一个节点被宣告死亡（在这段时间内，用户可能不得不等待，或者看到错误信息）。短暂的超时可以更快地检测到故障，但是实际上它只是经历了暂时的减速（例如，由于节点或网络上的负载峰值）而导致错误地宣布节点失效的风险更高。
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长时间的超时意味着长时间等待，直到一个节点被宣告死亡（在这段时间内，用户可能不得不等待，或者看到错误信息）。短暂的超时可以更快地检测到故障，但是实际上它只是经历了暂时的减速（例如，由于节点或网络上的负载峰值）而导致错误地宣布节点失效的风险更高。
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过早地声明一个节点已经死了是有问题的：如果这个节点实际上是活着的，并且正在执行一些动作（例如，发送一封电子邮件），而另一个节点接管，那么这个动作可能会最终执行两次。我们将在“[知识，真相和谎言](#知识，真相和谎言)”以及[第9章](ch9.md)和[第11章](ch11.md)中更详细地讨论这个问题。
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过早地声明一个节点已经死了是有问题的：如果这个节点实际上是活着的，并且正在执行一些动作（例如，发送一封电子邮件），而另一个节点接管，那么这个动作可能会最终执行两次。我们将在“[知识，真相和谎言](#知识，真相和谎言)”以及[第9章](ch9.md)和[第11章](ch11.md)中更详细地讨论这个问题。
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当一个节点被宣告死亡时，它的职责需要转移到其他节点，这会给其他节点和网络带来额外的负担。如果系统已经处于高负荷状态，则过早宣告节点死亡会使问题更严重。尤其是可能发生，节点实际上并没有死亡，而是由于过载导致响应缓慢；将其负载转移到其他节点可能会导致**级联失效（cascading failure）**（在极端情况下，所有节点都宣告对方死亡，并且所有节点都停止工作）。
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当一个节点被宣告死亡时，它的职责需要转移到其他节点，这会给其他节点和网络带来额外的负担。如果系统已经处于高负荷状态，则过早宣告节点死亡会使问题更严重。尤其是可能发生，节点实际上并没有死亡，而是由于过载导致响应缓慢；将其负载转移到其他节点可能会导致**级联失效（cascading failure）**（在极端情况下，所有节点都宣告对方死亡，并且所有节点都停止工作）。
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设想一个虚构的系统，其网络可以保证数据包的最大延迟——每个数据包要么在一段时间内传送，要么丢失，但是传递永远不会比$d$更长。此外，假设你可以保证一个非故障节点总是在一段时间内处理一个请求$r$。在这种情况下，您可以保证每个成功的请求在$2d + r$时间内都能收到响应，如果您在此时间内没有收到响应，则知道网络或远程节点不工作。如果这是成立的，$2d + r$ 会是一个合理的超时设置。
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设想一个虚构的系统，其网络可以保证数据包的最大延迟——每个数据包要么在一段时间内传送，要么丢失，但是传递永远不会比$d$更长。此外，假设你可以保证一个非故障节点总是在一段时间内处理一个请求$r$。在这种情况下，您可以保证每个成功的请求在$2d + r$时间内都能收到响应，如果您在此时间内没有收到响应，则知道网络或远程节点不工作。如果这是成立的，$2d + r$ 会是一个合理的超时设置。
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不幸的是，我们所使用的大多数系统都没有这些保证：异步网络具有无限的延迟（即尽可能快地传送数据包，但数据包到达可能需要的时间没有上限），并且大多数服务器实现并不能保证它们可以在一定的最大时间内处理请求（请参阅“[响应时间保证](#响应时间保证)”）。对于故障检测，系统大部分时间快速运行是不够的：如果你的超时时间很短，往返时间只需要一个瞬时尖峰就可以使系统失衡。
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不幸的是，我们所使用的大多数系统都没有这些保证：异步网络具有无限的延迟（即尽可能快地传送数据包，但数据包到达可能需要的时间没有上限），并且大多数服务器实现并不能保证它们可以在一定的最大时间内处理请求（请参阅“[响应时间保证](#响应时间保证)”）。对于故障检测，系统大部分时间快速运行是不够的：如果你的超时时间很短，往返时间只需要一个瞬时尖峰就可以使系统失衡。
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#### 网络拥塞和排队
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在驾驶汽车时，由于交通拥堵，道路交通网络的通行时间往往不尽相同。同样，计算机网络上数据包延迟的可变性通常是由于排队【25】：
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在驾驶汽车时，由于交通拥堵，道路交通网络的通行时间往往不尽相同。同样，计算机网络上数据包延迟的可变性通常是由于排队【25】：
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* 如果多个不同的节点同时尝试将数据包发送到同一目的地，则网络交换机必须将它们排队并将它们逐个送入目标网络链路（如[图8-2](img/fig8-2.png)所示）。在繁忙的网络链路上，数据包可能需要等待一段时间才能获得一个插槽（这称为网络连接）。如果传入的数据太多，交换机队列填满，数据包将被丢弃，因此需要重新发送数据包 - 即使网络运行良好。
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* 当数据包到达目标机器时，如果所有CPU内核当前都处于繁忙状态，则来自网络的传入请求将被操作系统排队，直到应用程序准备好处理它为止。根据机器上的负载，这可能需要一段任意的时间。
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@ -176,68 +177,68 @@
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**图8-2 如果有多台机器将网络流量发送到同一目的地，则其交换机队列可能会被填满。在这里，端口1,2和4都试图发送数据包到端口3**
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而且，如果TCP在某个超时时间内没有被确认（这是根据观察的往返时间计算的），则认为数据包丢失，丢失的数据包将自动重新发送。尽管应用程序没有看到数据包丢失和重新传输，但它看到了延迟（等待超时到期，然后等待重新传输的数据包得到确认）。
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而且，如果TCP在某个超时时间内没有被确认（这是根据观察的往返时间计算的），则认为数据包丢失，丢失的数据包将自动重新发送。尽管应用程序没有看到数据包丢失和重新传输，但它看到了延迟（等待超时到期，然后等待重新传输的数据包得到确认）。
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> ### TCP与UDP
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> 一些对延迟敏感的应用程序（如视频会议和IP语音（VoIP））使用UDP而不是TCP。这是在可靠性和和延迟可变性之间的折衷：由于UDP不执行流量控制并且不重传丢失的分组，所以避免了可变网络延迟的一些原因（尽管它仍然易受切换队列和调度延迟的影响）。
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> 一些对延迟敏感的应用程序（如视频会议和IP语音（VoIP））使用UDP而不是TCP。这是在可靠性和和延迟可变性之间的折衷：由于UDP不执行流量控制并且不重传丢失的分组，所以避免了可变网络延迟的一些原因（尽管它仍然易受切换队列和调度延迟的影响）。
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> 在延迟数据毫无价值的情况下，UDP是一个不错的选择。例如，在VoIP电话呼叫中，可能没有足够的时间重新发送丢失的数据包，并在扬声器上播放数据。在这种情况下，重发数据包没有意义——应用程序必须使用静音填充丢失数据包的时隙（导致声音短暂中断），然后在数据流中继续。重试发生在人类层。 （“你能再说一遍吗？声音刚刚断了一会儿。“）
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> 在延迟数据毫无价值的情况下，UDP是一个不错的选择。例如，在VoIP电话呼叫中，可能没有足够的时间重新发送丢失的数据包，并在扬声器上播放数据。在这种情况下，重发数据包没有意义——应用程序必须使用静音填充丢失数据包的时隙（导致声音短暂中断），然后在数据流中继续。重试发生在人类层。 （“你能再说一遍吗？声音刚刚断了一会儿。“）
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所有这些因素都会造成网络延迟的变化。当系统接近其最大容量时，排队延迟的范围特别广泛：
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所有这些因素都会造成网络延迟的变化。当系统接近其最大容量时，排队延迟的范围特别广泛：
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拥有足够备用容量的系统可以轻松排空队列，而在高利用率的系统中，很快就能积累很长的队列。
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拥有足够备用容量的系统可以轻松排空队列，而在高利用率的系统中，很快就能积累很长的队列。
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在公共云和多租户数据中心中，资源被许多客户共享：网络链接和交换机，甚至每个机器的网卡和CPU（在虚拟机上运行时）。批处理工作负载（如MapReduce）（参阅[第10章](ch10.md)）可能很容易使网络链接饱和。由于无法控制或了解其他客户对共享资源的使用情况，如果附近的某个人（嘈杂的邻居）正在使用大量资源，则网络延迟可能会发生剧烈抖动【28,29】。
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在公共云和多租户数据中心中，资源被许多客户共享：网络链接和交换机，甚至每个机器的网卡和CPU（在虚拟机上运行时）。批处理工作负载（如MapReduce）（参阅[第10章](ch10.md)）可能很容易使网络链接饱和。由于无法控制或了解其他客户对共享资源的使用情况，如果附近的某个人（嘈杂的邻居）正在使用大量资源，则网络延迟可能会发生剧烈抖动【28,29】。
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在这种环境下，您只能通过实验方式选择超时：测量延长的网络往返时间和多台机器的分布，以确定延迟的预期可变性。然后，考虑到应用程序的特性，可以确定**故障检测延迟**与**过早超时风险**之间的适当折衷。
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在这种环境下，您只能通过实验方式选择超时：测量延长的网络往返时间和多台机器的分布，以确定延迟的预期可变性。然后，考虑到应用程序的特性，可以确定**故障检测延迟**与**过早超时风险**之间的适当折衷。
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更好的一种做法是，系统不是使用配置的常量超时，而是连续测量响应时间及其变化（抖动），并根据观察到的响应时间分布自动调整超时。这可以通过Phi Accrual故障检测器【30】来完成，该检测器例如在Akka和Cassandra 【31】中使用。 TCP重传超时也同样起作用【27】。
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更好的一种做法是，系统不是使用配置的常量超时，而是连续测量响应时间及其变化（抖动），并根据观察到的响应时间分布自动调整超时。这可以通过Phi Accrual故障检测器【30】来完成，该检测器例如在Akka和Cassandra 【31】中使用。 TCP重传超时也同样起作用【27】。
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### 同步网络 vs 异步网络
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如果我们可以依靠网络来传递一些**最大延迟固定**的数据包，而不是丢弃数据包，那么分布式系统就会简单得多。为什么我们不能在硬件层面上解决这个问题，使网络可靠，使软件不必担心呢？
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如果我们可以依靠网络来传递一些**最大延迟固定**的数据包，而不是丢弃数据包，那么分布式系统就会简单得多。为什么我们不能在硬件层面上解决这个问题，使网络可靠，使软件不必担心呢？
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为了回答这个问题，将数据中心网络与非常可靠的传统固定电话网络（非蜂窝，非VoIP）进行比较是很有趣的：延迟音频帧和掉话是非常罕见的。一个电话需要一个很低的端到端延迟，以及足够的带宽来传输你声音的音频采样数据。在计算机网络中有类似的可靠性和可预测性不是很好吗？
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为了回答这个问题，将数据中心网络与非常可靠的传统固定电话网络（非蜂窝，非VoIP）进行比较是很有趣的：延迟音频帧和掉话是非常罕见的。一个电话需要一个很低的端到端延迟，以及足够的带宽来传输你声音的音频采样数据。在计算机网络中有类似的可靠性和可预测性不是很好吗？
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当您通过电话网络拨打电话时，它会建立一个电路：在两个呼叫者之间的整个路线上为呼叫分配一个固定的，有保证的带宽量。这个电路会保持至通话结束【32】。例如，ISDN网络以每秒4000帧的固定速率运行。呼叫建立时，每个帧内（每个方向）分配16位空间。因此，在通话期间，每一方都保证能够每250微秒发送一个精确的16位音频数据【33,34】。
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当您通过电话网络拨打电话时，它会建立一个电路：在两个呼叫者之间的整个路线上为呼叫分配一个固定的，有保证的带宽量。这个电路会保持至通话结束【32】。例如，ISDN网络以每秒4000帧的固定速率运行。呼叫建立时，每个帧内（每个方向）分配16位空间。因此，在通话期间，每一方都保证能够每250微秒发送一个精确的16位音频数据【33,34】。
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这种网络是同步的：即使数据经过多个路由器，也不会受到排队的影响，因为呼叫的16位空间已经在网络的下一跳中保留了下来。而且由于没有排队，网络的最大端到端延迟是固定的。我们称之为**有限延迟（bounded delay）**。
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这种网络是同步的：即使数据经过多个路由器，也不会受到排队的影响，因为呼叫的16位空间已经在网络的下一跳中保留了下来。而且由于没有排队，网络的最大端到端延迟是固定的。我们称之为**有限延迟（bounded delay）**。
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#### 我们不能简单地使网络延迟可预测吗？
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请注意，电话网络中的电路与TCP连接有很大不同：电路是固定数量的预留带宽，在电路建立时没有其他人可以使用，而TCP连接的数据包**机会性地**使用任何可用的网络带宽。您可以给TCP一个可变大小的数据块（例如，一个电子邮件或一个网页），它会尽可能在最短的时间内传输它。 TCP连接空闲时，不使用任何带宽[^ii]。
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请注意，电话网络中的电路与TCP连接有很大不同：电路是固定数量的预留带宽，在电路建立时没有其他人可以使用，而TCP连接的数据包**机会性地**使用任何可用的网络带宽。您可以给TCP一个可变大小的数据块（例如，一个电子邮件或一个网页），它会尽可能在最短的时间内传输它。 TCP连接空闲时，不使用任何带宽[^ii]。
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[^ii]: 除了偶尔的keepalive数据包，如果TCP keepalive被启用。
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如果数据中心网络和互联网是电路交换网络，那么在建立电路时就可以建立一个保证的最大往返时间。但是，它们并不是：以太网和IP是**分组交换协议**，这些协议可以从排队中获得，从而使网络无限延迟。这些协议没有电路的概念。
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如果数据中心网络和互联网是电路交换网络，那么在建立电路时就可以建立一个保证的最大往返时间。但是，它们并不是：以太网和IP是**分组交换协议**，这些协议可以从排队中获得，从而使网络无限延迟。这些协议没有电路的概念。
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为什么数据中心网络和互联网使用分组交换？答案是，它们针对**突发流量（bursty traffic）**进行了优化。一个电路适用于音频或视频通话，在通话期间需要每秒传送相当数量的比特。另一方面，请求网页，发送电子邮件或传输文件没有任何特定的带宽要求——我们只是希望它尽快完成。
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为什么数据中心网络和互联网使用分组交换？答案是，它们针对**突发流量（bursty traffic）**进行了优化。一个电路适用于音频或视频通话，在通话期间需要每秒传送相当数量的比特。另一方面，请求网页，发送电子邮件或传输文件没有任何特定的带宽要求——我们只是希望它尽快完成。
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如果你想通过电路传输文件，你将不得不猜测一个带宽分配。如果您猜的太低，传输速度会不必要的太慢，导致网络容量不能使用。如果你猜的太高，电路就无法建立（因为如果无法保证其带宽分配，网络不能建立电路）。因此，使用用于突发数据传输的电路浪费网络容量，并且使传输不必要地缓慢。相比之下，TCP动态调整数据传输速率以适应可用的网络容量。
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如果你想通过电路传输文件，你将不得不猜测一个带宽分配。如果您猜的太低，传输速度会不必要的太慢，导致网络容量不能使用。如果你猜的太高，电路就无法建立（因为如果无法保证其带宽分配，网络不能建立电路）。因此，使用用于突发数据传输的电路浪费网络容量，并且使传输不必要地缓慢。相比之下，TCP动态调整数据传输速率以适应可用的网络容量。
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已经有一些尝试去建立支持电路交换和分组交换的混合网络，比如ATM[^iii] InfiniBand有一些相似之处【35】：它在链路层实现了端到端的流量控制，从而减少了在网络中排队，尽管它仍然可能因链路拥塞而受到延迟【36】。通过仔细使用**服务质量（quality of service,）**（QoS，数据包的优先级和调度）和**准入控制（admission control）**（限速发送器），可以仿真分组网络上的电路交换，或提供统计上的**有限延迟**【25,32】。
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已经有一些尝试去建立支持电路交换和分组交换的混合网络，比如ATM[^iii] InfiniBand有一些相似之处【35】：它在链路层实现了端到端的流量控制，从而减少了在网络中排队，尽管它仍然可能因链路拥塞而受到延迟【36】。通过仔细使用**服务质量（quality of service,）**（QoS，数据包的优先级和调度）和**准入控制（admission control）**（限速发送器），可以仿真分组网络上的电路交换，或提供统计上的**有限延迟**【25,32】。
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[^iii]: **异步传输模式（Asynchronous TransferMode, ATM）**在20世纪80年代是以太网的竞争对手【32】，但在电话网核心交换机之外并没有得到太多的采用。与自动柜员机（也称为自动取款机）无关，尽管共用一个缩写词。或许，在一些平行的世界里，互联网是基于像ATM这样的东西，因为互联网视频通话可能比我们的更可靠，因为它们不会遭受丢包和延迟的包裹。
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但是，目前在多租户数据中心和公共云或通过互联网[^iv]进行通信时，此类服务质量尚未启用。当前部署的技术不允许我们对网络的延迟或可靠性作出任何保证：我们必须假设网络拥塞，排队和无限的延迟总是会发生。 因此，超时时间没有“正确”的值——它需要通过实验来确定。
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但是，目前在多租户数据中心和公共云或通过互联网[^iv]进行通信时，此类服务质量尚未启用。当前部署的技术不允许我们对网络的延迟或可靠性作出任何保证：我们必须假设网络拥塞，排队和无限的延迟总是会发生。 因此，超时时间没有“正确”的值——它需要通过实验来确定。
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[^iv]: 互联网服务提供商之间的对等协议和通过**BGP网关协议（BGP）**建立路由之间的对等协议，与电路交换本身相比，与电路交换更接近。在这个级别上，可以购买专用带宽。但是，互联网路由在网络级别运行，而不是主机之间的单独连接，而且运行时间要长得多。
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> ### 延迟和资源利用
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> 更一般地说，可以将**延迟变化**视为**动态资源分区**的结果。
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> 更一般地说，可以将**延迟变化**视为**动态资源分区**的结果。
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> 假设两台电话交换机之间有一条线路，可以同时进行10,000个呼叫。通过此线路切换的每个电路都占用其中一个呼叫插槽。因此，您可以将线路视为可由多达10,000个并发用户共享的资源。资源以静态方式分配：即使您现在是电话上唯一的电话，并且所有其他9,999个插槽都未使用，您的电路仍将分配与导线充分利用时相同的固定数量的带宽。
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> 假设两台电话交换机之间有一条线路，可以同时进行10,000个呼叫。通过此线路切换的每个电路都占用其中一个呼叫插槽。因此，您可以将线路视为可由多达10,000个并发用户共享的资源。资源以静态方式分配：即使您现在是电话上唯一的电话，并且所有其他9,999个插槽都未使用，您的电路仍将分配与导线充分利用时相同的固定数量的带宽。
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> 相比之下，互联网动态分享网络带宽。发送者互相推挤并互相推挤以尽可能快地通过网络获得它们的分组，并且网络交换机决定从一个时刻到另一个时刻发送哪个分组（即，带宽分配）。这种方法有排队的缺点，但其优点是它最大限度地利用了电线。电线固定成本，所以如果你更好地利用它，你通过电线发送的每个字节都会更便宜。
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> 相比之下，互联网动态分享网络带宽。发送者互相推挤并互相推挤以尽可能快地通过网络获得它们的分组，并且网络交换机决定从一个时刻到另一个时刻发送哪个分组（即，带宽分配）。这种方法有排队的缺点，但其优点是它最大限度地利用了电线。电线固定成本，所以如果你更好地利用它，你通过电线发送的每个字节都会更便宜。
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> CPU也会出现类似的情况：如果您在多个线程间动态共享每个CPU内核，则有一个线程有时必须等待操作系统的运行队列，而另一个线程正在运行，这样线程可以暂停不同的时间长度。但是，与为每个线程分配静态数量的CPU周期相比，这会更好地利用硬件（参阅“[响应时间保证](#响应时间保证)”）。更好的硬件利用率也是使用虚拟机的重要动机。
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> CPU也会出现类似的情况：如果您在多个线程间动态共享每个CPU内核，则有一个线程有时必须等待操作系统的运行队列，而另一个线程正在运行，这样线程可以暂停不同的时间长度。但是，与为每个线程分配静态数量的CPU周期相比，这会更好地利用硬件（参阅“[响应时间保证](#响应时间保证)”）。更好的硬件利用率也是使用虚拟机的重要动机。
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> 如果资源是静态分区的（例如，专用硬件和专用带宽分配），则在某些环境中可以实现**延迟保证**。但是，这是以降低利用率为代价的——换句话说，它是更昂贵的。另一方面，动态资源分配的多租户提供了更好的利用率，所以它更便宜，但它具有可变延迟的缺点。
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> 如果资源是静态分区的（例如，专用硬件和专用带宽分配），则在某些环境中可以实现**延迟保证**。但是，这是以降低利用率为代价的——换句话说，它是更昂贵的。另一方面，动态资源分配的多租户提供了更好的利用率，所以它更便宜，但它具有可变延迟的缺点。
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> 网络中的可变延迟不是一种自然规律，而只是成本/收益权衡的结果。
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> 网络中的可变延迟不是一种自然规律，而只是成本/收益权衡的结果。
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@ -256,41 +257,41 @@
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[例1-4](ch1.md)测量[持续时间]()（例如，发送请求与正在接收的响应之间的时间间隔），而[例5-8](ch5.md)描述**时间点（point in time）**（在特定日期，特定时间发生的事件）。
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在分布式系统中，时间是一件棘手的事情，因为通信不是即时的：消息通过网络从一台机器传送到另一台机器需要时间。收到消息的时间总是晚于发送的时间，但是由于网络中的可变延迟，我们不知道多少时间。这个事实有时很难确定在涉及多台机器时发生事情的顺序。
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在分布式系统中，时间是一件棘手的事情，因为通信不是即时的：消息通过网络从一台机器传送到另一台机器需要时间。收到消息的时间总是晚于发送的时间，但是由于网络中的可变延迟，我们不知道多少时间。这个事实有时很难确定在涉及多台机器时发生事情的顺序。
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而且，网络上的每台机器都有自己的时钟，这是一个实际的硬件设备：通常是石英晶体振荡器。这些设备不是完全准确的，所以每台机器都有自己的时间概念，可能比其他机器稍快或更慢。可以在一定程度上同步时钟：最常用的机制是**网络时间协议（NTP）**，它允许根据一组服务器报告的时间来调整计算机时钟【37】。服务器则从更精确的时间源（如GPS接收机）获取时间。
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而且，网络上的每台机器都有自己的时钟，这是一个实际的硬件设备：通常是石英晶体振荡器。这些设备不是完全准确的，所以每台机器都有自己的时间概念，可能比其他机器稍快或更慢。可以在一定程度上同步时钟：最常用的机制是**网络时间协议（NTP）**，它允许根据一组服务器报告的时间来调整计算机时钟【37】。服务器则从更精确的时间源（如GPS接收机）获取时间。
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### 单调钟与时钟
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现代计算机至少有两种不同的时钟：时钟和单调钟。尽管它们都衡量时间，但区分这两者很重要，因为它们有不同的目的。
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现代计算机至少有两种不同的时钟：时钟和单调钟。尽管它们都衡量时间，但区分这两者很重要，因为它们有不同的目的。
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#### 时钟
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时钟是您直观地了解时钟的依据：它根据某个日历（也称为**挂钟时间（wall-clock time）**）返回当前日期和时间。例如，Linux[^v]上的`clock_gettime(CLOCK_REALTIME)`和Java中的`System.currentTimeMillis()`返回自epoch（1970年1月1日 午夜 UTC，格里高利历）以来的秒数（或毫秒），根据公历日历，不包括闰秒。有些系统使用其他日期作为参考点。
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时钟是您直观地了解时钟的依据：它根据某个日历（也称为**挂钟时间（wall-clock time）**）返回当前日期和时间。例如，Linux[^v]上的`clock_gettime(CLOCK_REALTIME)`和Java中的`System.currentTimeMillis()`返回自epoch（1970年1月1日 午夜 UTC，格里高利历）以来的秒数（或毫秒），根据公历日历，不包括闰秒。有些系统使用其他日期作为参考点。
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[^v]: 虽然时钟被称为实时时钟，但它与实时操作系统无关，如第298页上的“[响应时间保证](#响应时间保证)”中所述。
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时钟通常与NTP同步，这意味着来自一台机器的时间戳（理想情况下）意味着与另一台机器上的时间戳相同。但是如下节所述，时钟也具有各种各样的奇特之处。特别是，如果本地时钟在NTP服务器之前太远，则它可能会被强制重置，看上去好像跳回了先前的时间点。这些跳跃以及他们经常忽略闰秒的事实，使时钟不能用于测量经过时间【38】。
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时钟通常与NTP同步，这意味着来自一台机器的时间戳（理想情况下）意味着与另一台机器上的时间戳相同。但是如下节所述，时钟也具有各种各样的奇特之处。特别是，如果本地时钟在NTP服务器之前太远，则它可能会被强制重置，看上去好像跳回了先前的时间点。这些跳跃以及他们经常忽略闰秒的事实，使时钟不能用于测量经过时间【38】。
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时钟还具有相当粗略的分辨率，例如，在较早的Windows系统上以10毫秒为单位前进【39】。在最近的系统中这已经不是一个问题了。
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时钟还具有相当粗略的分辨率，例如，在较早的Windows系统上以10毫秒为单位前进【39】。在最近的系统中这已经不是一个问题了。
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#### 单调钟
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单调钟适用于测量持续时间（时间间隔），例如超时或服务的响应时间：Linux上的`clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)`，和Java中的`System.nanoTime()`都是单调时钟。这个名字来源于他们保证总是前进的事实（而时钟可以及时跳回）。
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单调钟适用于测量持续时间（时间间隔），例如超时或服务的响应时间：Linux上的`clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)`，和Java中的`System.nanoTime()`都是单调时钟。这个名字来源于他们保证总是前进的事实（而时钟可以及时跳回）。
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你可以在某个时间点检查单调钟的值，做一些事情，且稍后再次检查它。这两个值之间的差异告诉你两次检查之间经过了多长时间。但单调钟的绝对值是毫无意义的：它可能是计算机启动以来的纳秒数，或类似的任意值。特别是比较来自两台不同计算机的单调钟的值是没有意义的，因为它们并不是一回事。
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你可以在某个时间点检查单调钟的值，做一些事情，且稍后再次检查它。这两个值之间的差异告诉你两次检查之间经过了多长时间。但单调钟的绝对值是毫无意义的：它可能是计算机启动以来的纳秒数，或类似的任意值。特别是比较来自两台不同计算机的单调钟的值是没有意义的，因为它们并不是一回事。
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在具有多个CPU插槽的服务器上，每个CPU可能有一个单独的计时器，但不一定与其他CPU同步。操作系统会补偿所有的差异，并尝试向应用线程表现出单调钟的样子，即使这些线程被调度到不同的CPU上。当然，明智的做法是不要太把这种单调性保证当回事【40】。
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在具有多个CPU插槽的服务器上，每个CPU可能有一个单独的计时器，但不一定与其他CPU同步。操作系统会补偿所有的差异，并尝试向应用线程表现出单调钟的样子，即使这些线程被调度到不同的CPU上。当然，明智的做法是不要太把这种单调性保证当回事【40】。
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如果NTP协议检测到计算机的本地石英钟比NTP服务器要更快或更慢，则可以调整单调钟向前走的频率（这称为**偏移（skewing）**时钟）。默认情况下，NTP允许时钟速率增加或减慢最高至0.05％，但NTP不能使单调时钟向前或向后跳转。单调时钟的分辨率通常相当好：在大多数系统中，它们能在几微秒或更短的时间内测量时间间隔。
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如果NTP协议检测到计算机的本地石英钟比NTP服务器要更快或更慢，则可以调整单调钟向前走的频率（这称为**偏移（skewing）**时钟）。默认情况下，NTP允许时钟速率增加或减慢最高至0.05％，但NTP不能使单调时钟向前或向后跳转。单调时钟的分辨率通常相当好：在大多数系统中，它们能在几微秒或更短的时间内测量时间间隔。
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在分布式系统中，使用单调钟测量**经过时间（elapsed time）**（比如超时）通常很好，因为它不假定不同节点的时钟之间存在任何同步，并且对测量的轻微不准确性不敏感。
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在分布式系统中，使用单调钟测量**经过时间（elapsed time）**（比如超时）通常很好，因为它不假定不同节点的时钟之间存在任何同步，并且对测量的轻微不准确性不敏感。
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### 时钟同步与准确性
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单调钟不需要同步，但是时钟需要根据NTP服务器或其他外部时间源来设置才能有用。不幸的是，我们获取时钟的方法并不像你所希望的那样可靠或准确——硬件时钟和NTP可能会变幻莫测。举几个例子：
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单调钟不需要同步，但是时钟需要根据NTP服务器或其他外部时间源来设置才能有用。不幸的是，我们获取时钟的方法并不像你所希望的那样可靠或准确——硬件时钟和NTP可能会变幻莫测。举几个例子：
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计算机中的石英钟不够精确：它会**漂移（drifts）**（运行速度快于或慢于预期）。时钟漂移取决于机器的温度。 Google假设其服务器时钟漂移为200 ppm（百万分之一）【41】，相当于每30秒与服务器重新同步一次的时钟漂移为6毫秒，或者每天重新同步的时钟漂移为17秒。即使一切工作正常，此漂移也会限制可以达到的最佳准确度。
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计算机中的石英钟不够精确：它会**漂移（drifts）**（运行速度快于或慢于预期）。时钟漂移取决于机器的温度。 Google假设其服务器时钟漂移为200 ppm（百万分之一）【41】，相当于每30秒与服务器重新同步一次的时钟漂移为6毫秒，或者每天重新同步的时钟漂移为17秒。即使一切工作正常，此漂移也会限制可以达到的最佳准确度。
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* 如果计算机的时钟与NTP服务器的时钟差别太大，可能会拒绝同步，或者本地时钟将被强制重置【37】。任何观察重置前后时间的应用程序都可能会看到时间倒退或突然跳跃。
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* 如果某个节点被NTP服务器意外阻塞，可能会在一段时间内忽略错误配置。有证据表明，这在实践中确实发生过。
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@ -302,33 +303,33 @@
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如果你足够关心这件事并投入大量资源，就可以达到非常好的时钟精度。例如，针对金融机构的欧洲法规草案MiFID II要求所有高频率交易基金在UTC时间100微秒内同步时钟，以便调试“闪崩”等市场异常现象，并帮助检测市场操纵 【51】。
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使用GPS接收机，精确时间协议（PTP）【52】以及仔细的部署和监测可以实现这种精确度。然而，这需要很多努力和专业知识，而且有很多东西都会导致时钟同步错误。如果你的NTP守护进程配置错误，或者防火墙阻止了NTP通信，由漂移引起的时钟误差可能很快就会变大。
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使用GPS接收机，精确时间协议（PTP）【52】以及仔细的部署和监测可以实现这种精确度。然而，这需要很多努力和专业知识，而且有很多东西都会导致时钟同步错误。如果你的NTP守护进程配置错误，或者防火墙阻止了NTP通信，由漂移引起的时钟误差可能很快就会变大。
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### 依赖同步时钟
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时钟的问题在于，虽然它们看起来简单易用，但却具有令人惊讶的缺陷：一天可能不会有精确的86,400秒，**时钟**可能会前后跳跃，而一个节点上的时间可能与另一个节点上的时间完全不同。
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时钟的问题在于，虽然它们看起来简单易用，但却具有令人惊讶的缺陷：一天可能不会有精确的86,400秒，**时钟**可能会前后跳跃，而一个节点上的时间可能与另一个节点上的时间完全不同。
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本章早些时候，我们讨论了网络丢包和任意延迟包的问题。尽管网络在大多数情况下表现良好，但软件的设计必须假定网络偶尔会出现故障，而软件必须正常处理这些故障。时钟也是如此：尽管大多数时间都工作得很好，但需要准备健壮的软件来处理不正确的时钟。
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本章早些时候，我们讨论了网络丢包和任意延迟包的问题。尽管网络在大多数情况下表现良好，但软件的设计必须假定网络偶尔会出现故障，而软件必须正常处理这些故障。时钟也是如此：尽管大多数时间都工作得很好，但需要准备健壮的软件来处理不正确的时钟。
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有一部分问题是，不正确的时钟很容易被视而不见。如果一台机器的CPU出现故障或者网络配置错误，很可能根本无法工作，所以很快就会被注意和修复。另一方面，如果它的石英时钟有缺陷，或者它的NTP客户端配置错误，大部分事情似乎仍然可以正常工作，即使它的时钟逐渐偏离现实。如果某个软件依赖于精确同步的时钟，那么结果更可能是悄无声息且行踪渺茫数据的数据丢失，而不是一次惊天动地的崩溃【53,54】。
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有一部分问题是，不正确的时钟很容易被视而不见。如果一台机器的CPU出现故障或者网络配置错误，很可能根本无法工作，所以很快就会被注意和修复。另一方面，如果它的石英时钟有缺陷，或者它的NTP客户端配置错误，大部分事情似乎仍然可以正常工作，即使它的时钟逐渐偏离现实。如果某个软件依赖于精确同步的时钟，那么结果更可能是悄无声息且行踪渺茫数据的数据丢失，而不是一次惊天动地的崩溃【53,54】。
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因此，如果你使用需要同步时钟的软件，必须仔细监控所有机器之间的时钟偏移。时钟偏离其他时钟太远的节点应当被宣告死亡，并从集群中移除。这样的监控可以确保你在损失发生之前注意到破损的时钟。
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因此，如果你使用需要同步时钟的软件，必须仔细监控所有机器之间的时钟偏移。时钟偏离其他时钟太远的节点应当被宣告死亡，并从集群中移除。这样的监控可以确保你在损失发生之前注意到破损的时钟。
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#### 有序事件的时间戳
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让我们考虑一个特别的情况，一件很有诱惑但也很危险的事情：依赖时钟，在多个节点上对事件进行排序。 例如，如果两个客户端写入分布式数据库，谁先到达？ 哪一个更近？
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让我们考虑一个特别的情况，一件很有诱惑但也很危险的事情：依赖时钟，在多个节点上对事件进行排序。 例如，如果两个客户端写入分布式数据库，谁先到达？ 哪一个更近？
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[图8-3](img/fig8-3.png)显示了在具有多领导者复制的数据库中对时钟的危险使用（该例子类似于[图5-9](img/fig5-9.png)）。 客户端A在节点1上写入`x = 1`；写入被复制到节点3；客户端B在节点3上增加x（我们现在有`x = 2`）；最后这两个写入都被复制到节点2。
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[图8-3](img/fig8-3.png)显示了在具有多领导者复制的数据库中对时钟的危险使用（该例子类似于[图5-9](img/fig5-9.png)）。 客户端A在节点1上写入`x = 1`；写入被复制到节点3；客户端B在节点3上增加x（我们现在有`x = 2`）；最后这两个写入都被复制到节点2。
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**图8-3 客户端B的写入比客户端A的写入要晚，但是B的写入具有较早的时间戳。**
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在[图8-3]()中，当一个写入被复制到其他节点时，它会根据发生写入的节点上的时钟时钟标记一个时间戳。在这个例子中，时钟同步是非常好的：节点1和节点3之间的偏差小于3ms，这可能比你在实践中预期的更好。
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在[图8-3]()中，当一个写入被复制到其他节点时，它会根据发生写入的节点上的时钟时钟标记一个时间戳。在这个例子中，时钟同步是非常好的：节点1和节点3之间的偏差小于3ms，这可能比你在实践中预期的更好。
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尽管如此，[图8-3](img/fig8-3.png)中的时间戳却无法正确排列事件：写入`x = 1`的时间戳为42.004秒，但写入`x = 2`的时间戳为42.003秒，即使`x = 2`在稍后出现。当节点2接收到这两个事件时，会错误地推断出`x = 1`是最近的值，而写入`x = 2`。效果上表现为，客户端B的增量操作会丢失。
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尽管如此，[图8-3](img/fig8-3.png)中的时间戳却无法正确排列事件：写入`x = 1`的时间戳为42.004秒，但写入`x = 2`的时间戳为42.003秒，即使`x = 2`在稍后出现。当节点2接收到这两个事件时，会错误地推断出`x = 1`是最近的值，而写入`x = 2`。效果上表现为，客户端B的增量操作会丢失。
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这种冲突解决策略被称为**最后写入为准（LWW）**，它在多领导者复制和无领导者数据库（如Cassandra 【53】和Riak 【54】）中被广泛使用（参见“[最后写入为准（丢弃并发写入）](#最后写入为准（丢弃并发写入）)”一节）。有些实现会在客户端而不是服务器上生成时间戳，但这并不能改变LWW的基本问题：
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这种冲突解决策略被称为**最后写入为准（LWW）**，它在多领导者复制和无领导者数据库（如Cassandra 【53】和Riak 【54】）中被广泛使用（参见“[最后写入为准（丢弃并发写入）](#最后写入为准（丢弃并发写入）)”一节）。有些实现会在客户端而不是服务器上生成时间戳，但这并不能改变LWW的基本问题：
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* 数据库写入可能会神秘地消失：具有滞后时钟的节点无法用快速时钟覆盖之前由节点写入的值，直到节点之间的时钟偏差过去【54,55】。此方案可能导致一定数量的数据被悄悄丢弃，而未向应用报告任何错误。
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* LWW无法区分**高频顺序写入**（在[图8-3](img/fig8-3.png)中，客户端B的增量操作**一定**发生在客户端A的写入之后）和**真正并发写入**（写入者意识不到其他写入者）。需要额外的因果关系跟踪机制（例如版本向量），以防止因果关系的冲突（请参阅“[检测并发写入](ch5.md#检测并发写入)”）。
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@ -336,49 +337,49 @@
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因此，尽管通过保留最“最近”的值并放弃其他值来解决冲突是很诱惑人的，但是要注意，“最近”的定义取决于本地的**时钟**，这很可能是不正确的。即使用频繁同步的NTP时钟，一个数据包也可能在时间戳100毫秒（根据发送者的时钟）时发送，并在时间戳99毫秒（根据接收者的时钟）处到达——看起来好像数据包在发送之前已经到达，这是不可能的。
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NTP同步是否能足够准确，以至于这种不正确的排序不会发生？也许不能，因为NTP的同步精度本身受到网络往返时间的限制，除了石英钟漂移这类误差源之外。为了进行正确的排序，你需要一个比测量对象（即网络延迟）要精确得多的时钟。
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NTP同步是否能足够准确，以至于这种不正确的排序不会发生？也许不能，因为NTP的同步精度本身受到网络往返时间的限制，除了石英钟漂移这类误差源之外。为了进行正确的排序，你需要一个比测量对象（即网络延迟）要精确得多的时钟。
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所谓的逻辑时钟【56,57】是基于递增计数器而不是振荡石英晶体，对于排序事件来说是更安全的选择（请参见“[检测并发写入](ch5.md#检测并发写入)”）。逻辑时钟不测量一天中的时间或经过的秒数，而仅测量事件的相对顺序（无论一个事件发生在另一个事件之前还是之后）。相反，用来测量实际经过时间的**时钟**和**单调钟**也被称为物理时钟。我们将在“[顺序保证](#顺序保证)”中查看更多订购信息。
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所谓的逻辑时钟【56,57】是基于递增计数器而不是振荡石英晶体，对于排序事件来说是更安全的选择（请参见“[检测并发写入](ch5.md#检测并发写入)”）。逻辑时钟不测量一天中的时间或经过的秒数，而仅测量事件的相对顺序（无论一个事件发生在另一个事件之前还是之后）。相反，用来测量实际经过时间的**时钟**和**单调钟**也被称为物理时钟。我们将在“[顺序保证](#顺序保证)”中查看更多订购信息。
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#### 时钟读数存在置信区间
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您可能能够以微秒或甚至纳秒的分辨率读取机器的时钟。但即使可以得到如此细致的测量结果，这并不意味着这个值对于这样的精度实际上是准确的。实际上，如前所述，即使您每分钟与本地网络上的NTP服务器进行同步，很可能也不会像前面提到的那样，在不精确的石英时钟上漂移几毫秒。使用公共互联网上的NTP服务器，最好的准确度可能达到几十毫秒，而且当网络拥塞时，误差可能会超过100毫秒【57】。
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您可能能够以微秒或甚至纳秒的分辨率读取机器的时钟。但即使可以得到如此细致的测量结果，这并不意味着这个值对于这样的精度实际上是准确的。实际上，如前所述，即使您每分钟与本地网络上的NTP服务器进行同步，很可能也不会像前面提到的那样，在不精确的石英时钟上漂移几毫秒。使用公共互联网上的NTP服务器，最好的准确度可能达到几十毫秒，而且当网络拥塞时，误差可能会超过100毫秒【57】。
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因此，将时钟读数视为一个时间点是没有意义的——它更像是一段时间范围：例如，一个系统可能以95％的置信度认为当前时间处于本分钟内的第10.3秒和10.5秒之间，它可能没法比这更精确了【58】。如果我们只知道±100毫秒的时间，那么时间戳中的微秒数字部分基本上是没有意义的。
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因此，将时钟读数视为一个时间点是没有意义的——它更像是一段时间范围：例如，一个系统可能以95％的置信度认为当前时间处于本分钟内的第10.3秒和10.5秒之间，它可能没法比这更精确了【58】。如果我们只知道±100毫秒的时间，那么时间戳中的微秒数字部分基本上是没有意义的。
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不确定性界限可以根据你的时间源来计算。如果您的GPS接收器或原子（铯）时钟直接连接到您的计算机上，预期的错误范围由制造商报告。如果从服务器获得时间，则不确定性取决于自上次与服务器同步以来的石英钟漂移的期望值，加上NTP服务器的不确定性，再加上到服务器的网络往返时间（只是获取粗略近似值，并假设服务器是可信的）。
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不确定性界限可以根据你的时间源来计算。如果您的GPS接收器或原子（铯）时钟直接连接到您的计算机上，预期的错误范围由制造商报告。如果从服务器获得时间，则不确定性取决于自上次与服务器同步以来的石英钟漂移的期望值，加上NTP服务器的不确定性，再加上到服务器的网络往返时间（只是获取粗略近似值，并假设服务器是可信的）。
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不幸的是，大多数系统不公开这种不确定性：例如，当调用`clock_gettime()`时，返回值不会告诉你时间戳的预期错误，所以你不知道其置信区间是5毫秒还是5年。
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不幸的是，大多数系统不公开这种不确定性：例如，当调用`clock_gettime()`时，返回值不会告诉你时间戳的预期错误，所以你不知道其置信区间是5毫秒还是5年。
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一个有趣的例外是Spanner中的Google TrueTime API 【41】，它明确地报告了本地时钟的置信区间。当你询问当前时间时，你会得到两个值：[最早，最晚]，这是最早可能的时间戳和最晚可能的时间戳。在不确定性估计的基础上，时钟知道当前的实际时间落在该区间内。间隔的宽度取决于自从本地石英钟最后与更精确的时钟源同步以来已经过了多长时间。
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一个有趣的例外是Spanner中的Google TrueTime API 【41】，它明确地报告了本地时钟的置信区间。当你询问当前时间时，你会得到两个值：[最早，最晚]，这是最早可能的时间戳和最晚可能的时间戳。在不确定性估计的基础上，时钟知道当前的实际时间落在该区间内。间隔的宽度取决于自从本地石英钟最后与更精确的时钟源同步以来已经过了多长时间。
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#### 全局快照的同步时钟
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在“[快照隔离和可重复读取](ch7.md#快照隔离和可重复读取)”中，我们讨论了快照隔离，这是数据库中非常有用的功能，需要支持小型快速读写事务和大型长时间运行的只读事务，用于备份或分析）。它允许只读事务看到特定时间点的处于一致状态的数据库，且不会锁定和干扰读写事务。
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在“[快照隔离和可重复读取](ch7.md#快照隔离和可重复读取)”中，我们讨论了快照隔离，这是数据库中非常有用的功能，需要支持小型快速读写事务和大型长时间运行的只读事务，用于备份或分析）。它允许只读事务看到特定时间点的处于一致状态的数据库，且不会锁定和干扰读写事务。
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快照隔离最常见的实现需要单调递增的事务ID。如果写入比快照晚（即，写入具有比快照更大的事务ID），则该写入对于快照事务是不可见的。在单节点数据库上，一个简单的计数器就足以生成事务ID。
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快照隔离最常见的实现需要单调递增的事务ID。如果写入比快照晚（即，写入具有比快照更大的事务ID），则该写入对于快照事务是不可见的。在单节点数据库上，一个简单的计数器就足以生成事务ID。
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但是当数据库分布在许多机器上，也许可能在多个数据中心中时，由于需要协调，（跨所有分区）全局单调递增的事务ID可能很难生成。事务ID必须反映因果关系：如果事务B读取由事务A写入的值，则B必须具有比A更大的事务ID，否则快照就无法保持一致。在有大量的小规模、高频率的事务情景下，在分布式系统中创建事务ID成为一个站不住脚的瓶颈[^vi]。
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但是当数据库分布在许多机器上，也许可能在多个数据中心中时，由于需要协调，（跨所有分区）全局单调递增的事务ID可能很难生成。事务ID必须反映因果关系：如果事务B读取由事务A写入的值，则B必须具有比A更大的事务ID，否则快照就无法保持一致。在有大量的小规模、高频率的事务情景下，在分布式系统中创建事务ID成为一个站不住脚的瓶颈[^vi]。
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[^vi]: 存在分布式序列号生成器，例如Twitter的雪花（Snowflake），其以可扩展的方式（例如，通过将ID空间的块分配给不同节点）近似单调地增加唯一ID。但是，它们通常无法保证与因果关系一致的排序，因为分配的ID块的时间范围比数据库读取和写入的时间范围要长。另请参阅“[顺序保证](#顺序保证)”。
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我们可以使用同步时钟的时间戳作为事务ID吗？如果我们能够获得足够好的同步性，那么这种方法将具有很合适的属性：更晚的事务会有更大的时间戳。当然，问题在于时钟精度的不确定性。
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我们可以使用同步时钟的时间戳作为事务ID吗？如果我们能够获得足够好的同步性，那么这种方法将具有很合适的属性：更晚的事务会有更大的时间戳。当然，问题在于时钟精度的不确定性。
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Spanner以这种方式实现跨数据中心的快照隔离【59，60】。它使用TrueTime API报告的时钟置信区间，并基于以下观察结果：如果您有两个置信区间，每个置信区间包含最早和最近可能的时间戳（ $A = [A_{earliest}, A_{latest}]$， $B=[B_{earliest}, B_{latest}] $），这两个区间不重叠（即：$A_{earliest} < A_{latest} < B_{earliest} < B_{latest}$），那么B肯定发生在A之后——这是毫无疑问的。只有当区间重叠时，我们才不确定A和B发生的顺序。
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Spanner以这种方式实现跨数据中心的快照隔离【59，60】。它使用TrueTime API报告的时钟置信区间，并基于以下观察结果：如果您有两个置信区间，每个置信区间包含最早和最近可能的时间戳（ $A = [A_{earliest}, A_{latest}]$， $B=[B_{earliest}, B_{latest}] $），这两个区间不重叠（即：$A_{earliest} < A_{latest} < B_{earliest} < B_{latest}$），那么B肯定发生在A之后——这是毫无疑问的。只有当区间重叠时，我们才不确定A和B发生的顺序。
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为了确保事务时间戳反映因果关系，在提交读写事务之前，Spanner在提交读写事务时，会故意等待置信区间长度的时间。通过这样，它可以确保任何可能读取数据的事务处于足够晚的时间，因此它们的置信区间不会重叠。为了保持尽可能短的等待时间，Spanner需要保持尽可能小的时钟不确定性，为此，Google在每个数据中心都部署了一个GPS接收器或原子钟，允许时钟在大约7毫秒内同步【41】。
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为了确保事务时间戳反映因果关系，在提交读写事务之前，Spanner在提交读写事务时，会故意等待置信区间长度的时间。通过这样，它可以确保任何可能读取数据的事务处于足够晚的时间，因此它们的置信区间不会重叠。为了保持尽可能短的等待时间，Spanner需要保持尽可能小的时钟不确定性，为此，Google在每个数据中心都部署了一个GPS接收器或原子钟，允许时钟在大约7毫秒内同步【41】。
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对分布式事务语义使用时钟同步是一个活跃的研究领域【57,61,62】。这些想法很有趣，但是它们还没有在谷歌之外的主流数据库中实现。
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对分布式事务语义使用时钟同步是一个活跃的研究领域【57,61,62】。这些想法很有趣，但是它们还没有在谷歌之外的主流数据库中实现。
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### 暂停进程
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让我们考虑在分布式系统中使用危险时钟的另一个例子。假设你有一个数据库，每个分区只有一个领导者。只有领导被允许接受写入。一个节点如何知道它仍然是领导者（它并没有被别人宣告为死亡），并且它可以安全地接受写入？
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让我们考虑在分布式系统中使用危险时钟的另一个例子。假设你有一个数据库，每个分区只有一个领导者。只有领导被允许接受写入。一个节点如何知道它仍然是领导者（它并没有被别人宣告为死亡），并且它可以安全地接受写入？
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一种选择是领导者从其他节点获得一个**租约（lease）**，类似一个带超时的锁【63】。任一时刻只有一个节点可以持有租约——因此，当一个节点获得一个租约时，它知道它在某段时间内自己是领导者，直到租约到期。为了保持领导地位，节点必须在周期性地在租约过期前续期。
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一种选择是领导者从其他节点获得一个**租约（lease）**，类似一个带超时的锁【63】。任一时刻只有一个节点可以持有租约——因此，当一个节点获得一个租约时，它知道它在某段时间内自己是领导者，直到租约到期。为了保持领导地位，节点必须在周期性地在租约过期前续期。
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如果节点发生故障，就会停止续期，所以当租约过期时，另一个节点可以接管。
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如果节点发生故障，就会停止续期，所以当租约过期时，另一个节点可以接管。
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可以想象，请求处理循环看起来像这样：
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可以想象，请求处理循环看起来像这样：
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```java
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while(true){
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@ -394,13 +395,13 @@ while(true){
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}
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```
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这个代码有什么问题？首先，它依赖于同步时钟：租约到期时间由另一台机器设置（例如，当前时间加上30秒，计算到期时间），并将其与本地系统时钟进行比较。如果时钟超过几秒不同步，这段代码将开始做奇怪的事情。
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这个代码有什么问题？首先，它依赖于同步时钟：租约到期时间由另一台机器设置（例如，当前时间加上30秒，计算到期时间），并将其与本地系统时钟进行比较。如果时钟超过几秒不同步，这段代码将开始做奇怪的事情。
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其次，即使我们将协议更改为仅使用本地单调时钟，也存在另一个问题：代码假定在执行剩余时间检查`System.currentTimeMillis()`和实际执行请求`process(request)`中间的时间间隔非常短。通常情况下，这段代码运行得非常快，所以10秒的缓冲区已经足够确保**租约**在请求处理到一半时不会过期。
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其次，即使我们将协议更改为仅使用本地单调时钟，也存在另一个问题：代码假定在执行剩余时间检查`System.currentTimeMillis()`和实际执行请求`process(request)`中间的时间间隔非常短。通常情况下，这段代码运行得非常快，所以10秒的缓冲区已经足够确保**租约**在请求处理到一半时不会过期。
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但是，如果程序执行中出现了意外的停顿呢？例如，想象一下，线程在`lease.isValid()`行周围停止15秒，然后才终止。在这种情况下，在请求被处理的时候，租约可能已经过期，而另一个节点已经接管了领导。然而，没有什么可以告诉这个线程已经暂停了这么长时间了，所以这段代码不会注意到租约已经到期了，直到循环的下一个迭代 ——到那个时候它可能已经做了一些不安全的处理请求。
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但是，如果程序执行中出现了意外的停顿呢？例如，想象一下，线程在`lease.isValid()`行周围停止15秒，然后才终止。在这种情况下，在请求被处理的时候，租约可能已经过期，而另一个节点已经接管了领导。然而，没有什么可以告诉这个线程已经暂停了这么长时间了，所以这段代码不会注意到租约已经到期了，直到循环的下一个迭代 ——到那个时候它可能已经做了一些不安全的处理请求。
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假设一个线程可能会暂停很长时间，这是疯了吗？不幸的是，这种情况发生的原因有很多种：
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假设一个线程可能会暂停很长时间，这是疯了吗？不幸的是，这种情况发生的原因有很多种：
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* 许多编程语言运行时（如Java虚拟机）都有一个垃圾收集器（GC），偶尔需要停止所有正在运行的线程。这些“**停止世界（stop-the-world）**”GC暂停有时会持续几分钟【64】！甚至像HotSpot JVM的CMS这样的所谓的“并行”垃圾收集器也不能完全与应用程序代码并行运行，它需要不时地停止世界【65】。尽管通常可以通过改变分配模式或调整GC设置来减少暂停【66】，但是如果我们想要提供健壮的保证，就必须假设最坏的情况发生。
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* 在虚拟化环境中，可以**挂起（suspend）**虚拟机（暂停执行所有进程并将内存内容保存到磁盘）并恢复（恢复内存内容并继续执行）。这个暂停可以在进程执行的任何时候发生，并且可以持续任意长的时间。这个功能有时用于虚拟机从一个主机到另一个主机的实时迁移，而不需要重新启动，在这种情况下，暂停的长度取决于进程写入内存的速率【67】。
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@ -412,15 +413,15 @@ while(true){
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所有这些事件都可以随时**抢占（preempt）**正在运行的线程，并在稍后的时间恢复运行，而线程甚至不会注意到这一点。这个问题类似于在单个机器上使多线程代码线程安全：你不能对时机做任何假设，因为随时可能发生上下文切换，或者出现并行运行。
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当在一台机器上编写多线程代码时，我们有相当好的工具来实现线程安全：互斥量，信号量，原子计数器，无锁数据结构，阻塞队列等等。不幸的是，这些工具并不能直接转化为分布式系统操作，因为分布式系统没有共享内存，只有通过不可靠网络发送的消息。
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当在一台机器上编写多线程代码时，我们有相当好的工具来实现线程安全：互斥量，信号量，原子计数器，无锁数据结构，阻塞队列等等。不幸的是，这些工具并不能直接转化为分布式系统操作，因为分布式系统没有共享内存，只有通过不可靠网络发送的消息。
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分布式系统中的节点，必须假定其执行可能在任意时刻暂停相当长的时间，即使是在一个函数的中间。在暂停期间，世界的其它部分在继续运转，甚至可能因为该节点没有响应，而宣告暂停节点的死亡。最终暂停的节点可能会继续运行，在再次检查自己的时钟之前，甚至可能不会意识到自己进入了睡眠。
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分布式系统中的节点，必须假定其执行可能在任意时刻暂停相当长的时间，即使是在一个函数的中间。在暂停期间，世界的其它部分在继续运转，甚至可能因为该节点没有响应，而宣告暂停节点的死亡。最终暂停的节点可能会继续运行，在再次检查自己的时钟之前，甚至可能不会意识到自己进入了睡眠。
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#### 响应时间保证
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在许多编程语言和操作系统中，线程和进程可能暂停一段无限制的时间，正如讨论的那样。如果你足够努力，导致暂停的原因是**可以**消除的。
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在许多编程语言和操作系统中，线程和进程可能暂停一段无限制的时间，正如讨论的那样。如果你足够努力，导致暂停的原因是**可以**消除的。
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某些软件的运行环境要求很高，不能在特定时间内响应可能会导致严重的损失：飞机主控计算机，火箭，机器人，汽车和其他物体的计算机必须对其传感器输入做出快速而可预测的响应。在这些系统中，软件必须有一个特定的**截止时间（deadline）**，如果截止时间不满足，可能会导致整个系统的故障。这就是所谓的**硬实时（hard real-time）**系统。
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某些软件的运行环境要求很高，不能在特定时间内响应可能会导致严重的损失：飞机主控计算机，火箭，机器人，汽车和其他物体的计算机必须对其传感器输入做出快速而可预测的响应。在这些系统中，软件必须有一个特定的**截止时间（deadline）**，如果截止时间不满足，可能会导致整个系统的故障。这就是所谓的**硬实时（hard real-time）**系统。
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> #### 实时是真的吗？
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@ -428,49 +429,49 @@ while(true){
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例如，如果车载传感器检测到当前正在经历碰撞，你肯定不希望安全气囊释放系统因为GC暂停而延迟弹出。
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在系统中提供**实时保证**需要各级软件栈的支持：一个实时操作系统（RTOS），允许在指定的时间间隔内保证CPU时间的分配。库函数必须记录最坏情况下的执行时间；动态内存分配可能受到限制或完全不允许（实时垃圾收集器存在，但是应用程序仍然必须确保它不会给GC太多的负担）；必须进行大量的测试和测量，以确保达到保证。
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在系统中提供**实时保证**需要各级软件栈的支持：一个实时操作系统（RTOS），允许在指定的时间间隔内保证CPU时间的分配。库函数必须记录最坏情况下的执行时间；动态内存分配可能受到限制或完全不允许（实时垃圾收集器存在，但是应用程序仍然必须确保它不会给GC太多的负担）；必须进行大量的测试和测量，以确保达到保证。
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所有这些都需要大量额外的工作，严重限制了可以使用的编程语言，库和工具的范围（因为大多数语言和工具不提供实时保证）。由于这些原因，开发实时系统非常昂贵，并且它们通常用于安全关键的嵌入式设备。而且，“**实时**”与“**高性能**”不一样——事实上，实时系统可能具有较低的吞吐量，因为他们必须优先考虑及时响应高于一切（另请参见“[延迟和资源利用](#延迟和资源利用)“）。
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所有这些都需要大量额外的工作，严重限制了可以使用的编程语言，库和工具的范围（因为大多数语言和工具不提供实时保证）。由于这些原因，开发实时系统非常昂贵，并且它们通常用于安全关键的嵌入式设备。而且，“**实时**”与“**高性能**”不一样——事实上，实时系统可能具有较低的吞吐量，因为他们必须优先考虑及时响应高于一切（另请参见“[延迟和资源利用](#延迟和资源利用)“）。
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对于大多数服务器端数据处理系统来说，实时保证是不经济或不合适的。因此，这些系统必须承受在非实时环境中运行的暂停和时钟不稳定性。
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对于大多数服务器端数据处理系统来说，实时保证是不经济或不合适的。因此，这些系统必须承受在非实时环境中运行的暂停和时钟不稳定性。
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#### 限制垃圾收集的影响
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过程暂停的负面影响可以在不诉诸昂贵的实时调度保证的情况下得到缓解。语言运行时在计划垃圾回收时具有一定的灵活性，因为它们可以跟踪对象分配的速度和随着时间的推移剩余的空闲内存。
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过程暂停的负面影响可以在不诉诸昂贵的实时调度保证的情况下得到缓解。语言运行时在计划垃圾回收时具有一定的灵活性，因为它们可以跟踪对象分配的速度和随着时间的推移剩余的空闲内存。
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一个新兴的想法是将GC暂停视为一个节点的短暂计划中断，并让其他节点处理来自客户端的请求，同时一个节点正在收集其垃圾。如果运行时可以警告应用程序一个节点很快需要GC暂停，那么应用程序可以停止向该节点发送新的请求，等待它完成处理未完成的请求，然后在没有请求正在进行时执行GC。这个技巧隐藏了来自客户端的GC暂停，并降低了响应时间的高百分比【70,71】。一些对延迟敏感的金融交易系统【72】使用这种方法。
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一个新兴的想法是将GC暂停视为一个节点的短暂计划中断，并让其他节点处理来自客户端的请求，同时一个节点正在收集其垃圾。如果运行时可以警告应用程序一个节点很快需要GC暂停，那么应用程序可以停止向该节点发送新的请求，等待它完成处理未完成的请求，然后在没有请求正在进行时执行GC。这个技巧隐藏了来自客户端的GC暂停，并降低了响应时间的高百分比【70,71】。一些对延迟敏感的金融交易系统【72】使用这种方法。
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这个想法的一个变种是只用垃圾收集器来处理短命对象（这些对象要快速收集），并定期在积累大量长寿对象（因此需要完整GC）之前重新启动进程【65,73】。一次可以重新启动一个节点，在计划重新启动之前，流量可以从节点移开，就像[滚动升级](ch4.md#滚动升级)一样。
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这个想法的一个变种是只用垃圾收集器来处理短命对象（这些对象要快速收集），并定期在积累大量长寿对象（因此需要完整GC）之前重新启动进程【65,73】。一次可以重新启动一个节点，在计划重新启动之前，流量可以从节点移开，就像[滚动升级](ch4.md#滚动升级)一样。
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这些措施不能完全阻止垃圾回收暂停，但可以有效地减少它们对应用的影响。
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这些措施不能完全阻止垃圾回收暂停，但可以有效地减少它们对应用的影响。
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## 知识、真相与谎言
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本章到目前为止，我们已经探索了分布式系统与运行在单台计算机上的程序的不同之处：没有共享内存，只有通过可变延迟的不可靠网络传递的消息，系统可能遭受部分失效，不可靠的时钟和处理暂停。
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本章到目前为止，我们已经探索了分布式系统与运行在单台计算机上的程序的不同之处：没有共享内存，只有通过可变延迟的不可靠网络传递的消息，系统可能遭受部分失效，不可靠的时钟和处理暂停。
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如果你不习惯于分布式系统，那么这些问题的后果就会让人迷惑不解。网络中的一个节点无法确切地知道任何事情——它只能根据它通过网络接收到（或没有接收到）的消息进行猜测。节点只能通过交换消息来找出另一个节点所处的状态（存储了哪些数据，是否正确运行等等）。如果远程节点没有响应，则无法知道它处于什么状态，因为网络中的问题不能可靠地与节点上的问题区分开来。
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如果你不习惯于分布式系统，那么这些问题的后果就会让人迷惑不解。网络中的一个节点无法确切地知道任何事情——它只能根据它通过网络接收到（或没有接收到）的消息进行猜测。节点只能通过交换消息来找出另一个节点所处的状态（存储了哪些数据，是否正确运行等等）。如果远程节点没有响应，则无法知道它处于什么状态，因为网络中的问题不能可靠地与节点上的问题区分开来。
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这些系统的讨论与哲学有关：在系统中什么是真什么是假？如果感知和测量的机制都是不可靠的，那么关于这些知识我们又能多么确定呢？软件系统应该遵循我们对物理世界所期望的法则，如因果关系吗？
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这些系统的讨论与哲学有关：在系统中什么是真什么是假？如果感知和测量的机制都是不可靠的，那么关于这些知识我们又能多么确定呢？软件系统应该遵循我们对物理世界所期望的法则，如因果关系吗？
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幸运的是，我们不需要去搞清楚生命的意义。在分布式系统中，我们可以陈述关于行为（系统模型）的假设，并以满足这些假设的方式设计实际系统。算法可以被证明在某个系统模型中正确运行。这意味着即使底层系统模型提供了很少的保证，也可以实现可靠的行为。
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幸运的是，我们不需要去搞清楚生命的意义。在分布式系统中，我们可以陈述关于行为（系统模型）的假设，并以满足这些假设的方式设计实际系统。算法可以被证明在某个系统模型中正确运行。这意味着即使底层系统模型提供了很少的保证，也可以实现可靠的行为。
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但是，尽管可以使软件在不可靠的系统模型中表现良好，但这并不是可以直截了当实现的。在本章的其余部分中，我们将进一步探讨分布式系统中的知识和真理的概念，这将有助于我们思考我们可以做出的各种假设以及我们可能希望提供的保证。在[第9章](ch9.md)中，我们将着眼于分布式系统的一些例子，这些算法在特定的假设条件下提供了特定的保证。
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但是，尽管可以使软件在不可靠的系统模型中表现良好，但这并不是可以直截了当实现的。在本章的其余部分中，我们将进一步探讨分布式系统中的知识和真理的概念，这将有助于我们思考我们可以做出的各种假设以及我们可能希望提供的保证。在[第9章](ch9.md)中，我们将着眼于分布式系统的一些例子，这些算法在特定的假设条件下提供了特定的保证。
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### 真理由多数所定义
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设想一个具有不对称故障的网络：一个节点能够接收发送给它的所有消息，但是来自该节点的任何传出消息被丢弃或延迟【19】。即使该节点运行良好，并且正在接收来自其他节点的请求，其他节点也无法听到其响应。经过一段时间后，其他节点宣布它已经死亡，因为他们没有听到节点的消息。这种情况就像梦魇一样：**半断开（semi-disconnected）**的节点被拖向墓地，敲打尖叫道“我没死！” ——但是由于没有人能听到它的尖叫，葬礼队伍继续以坚忍的决心继续行进。
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设想一个具有不对称故障的网络：一个节点能够接收发送给它的所有消息，但是来自该节点的任何传出消息被丢弃或延迟【19】。即使该节点运行良好，并且正在接收来自其他节点的请求，其他节点也无法听到其响应。经过一段时间后，其他节点宣布它已经死亡，因为他们没有听到节点的消息。这种情况就像梦魇一样：**半断开（semi-disconnected）**的节点被拖向墓地，敲打尖叫道“我没死！” ——但是由于没有人能听到它的尖叫，葬礼队伍继续以坚忍的决心继续行进。
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在一个稍微不那么梦魇的场景中，半断开的节点可能会注意到它发送的消息没有被其他节点确认，因此意识到网络中必定存在故障。尽管如此，节点被其他节点错误地宣告为死亡，而半连接的节点对此无能为力。
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在一个稍微不那么梦魇的场景中，半断开的节点可能会注意到它发送的消息没有被其他节点确认，因此意识到网络中必定存在故障。尽管如此，节点被其他节点错误地宣告为死亡，而半连接的节点对此无能为力。
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第三种情况，想象一个经历了一个长时间**停止世界垃圾收集暂停（stop-the-world GC Pause）**的节点。节点的所有线程被GC抢占并暂停一分钟，因此没有请求被处理，也没有响应被发送。其他节点等待，重试，不耐烦，并最终宣布节点死亡，并将其丢到灵车上。最后，GC完成，节点的线程继续，好像什么也没有发生。其他节点感到惊讶，因为所谓的死亡节点突然从棺材中抬起头来，身体健康，开始和旁观者高兴地聊天。GC后的节点最初甚至没有意识到已经经过了整整一分钟，而且自己已被宣告死亡。从它自己的角度来看，从最后一次与其他节点交谈以来，几乎没有经过任何时间。
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第三种情况，想象一个经历了一个长时间**停止世界垃圾收集暂停（stop-the-world GC Pause）**的节点。节点的所有线程被GC抢占并暂停一分钟，因此没有请求被处理，也没有响应被发送。其他节点等待，重试，不耐烦，并最终宣布节点死亡，并将其丢到灵车上。最后，GC完成，节点的线程继续，好像什么也没有发生。其他节点感到惊讶，因为所谓的死亡节点突然从棺材中抬起头来，身体健康，开始和旁观者高兴地聊天。GC后的节点最初甚至没有意识到已经经过了整整一分钟，而且自己已被宣告死亡。从它自己的角度来看，从最后一次与其他节点交谈以来，几乎没有经过任何时间。
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这些故事的寓意是，节点不一定能相信自己对于情况的判断。分布式系统不能完全依赖单个节点，因为节点可能随时失效，可能会使系统卡死，无法恢复。相反，许多分布式算法都依赖于法定人数，即在节点之间进行投票（参阅“[读写法定人数](ch5.md#读写法定人数)”）：决策需要来自多个节点的最小投票数，以减少对于某个特定节点的依赖。
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这些故事的寓意是，节点不一定能相信自己对于情况的判断。分布式系统不能完全依赖单个节点，因为节点可能随时失效，可能会使系统卡死，无法恢复。相反，许多分布式算法都依赖于法定人数，即在节点之间进行投票（参阅“[读写法定人数](ch5.md#读写法定人数)”）：决策需要来自多个节点的最小投票数，以减少对于某个特定节点的依赖。
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这也包括关于宣告节点死亡的决定。如果法定数量的节点宣告另一个节点已经死亡，那么即使该节点仍感觉自己活着，它也必须被认为是死的。个体节点必须遵守法定决定并下台。
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这也包括关于宣告节点死亡的决定。如果法定数量的节点宣告另一个节点已经死亡，那么即使该节点仍感觉自己活着，它也必须被认为是死的。个体节点必须遵守法定决定并下台。
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最常见的法定人数是超过一半的绝对多数（尽管其他类型的法定人数也是可能的）。多数法定人数允许系统继续工作，如果单个节点发生故障（三个节点可以容忍单节点故障；五个节点可以容忍双节点故障）。系统仍然是安全的，因为在这个制度中只能有一个多数——不能同时存在两个相互冲突的多数决定。当我们在[第9章](ch9.md)中讨论**共识算法（consensus algorithms）**时，我们将更详细地讨论法定人数的应用。
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最常见的法定人数是超过一半的绝对多数（尽管其他类型的法定人数也是可能的）。多数法定人数允许系统继续工作，如果单个节点发生故障（三个节点可以容忍单节点故障；五个节点可以容忍双节点故障）。系统仍然是安全的，因为在这个制度中只能有一个多数——不能同时存在两个相互冲突的多数决定。当我们在[第9章](ch9.md)中讨论**共识算法（consensus algorithms）**时，我们将更详细地讨论法定人数的应用。
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#### 领导者与锁定
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@ -482,66 +483,66 @@ while(true){
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在分布式系统中实现这一点需要注意：即使一个节点认为它是“**天选者（the choosen one）**”（分区的负责人，锁的持有者，成功获取用户名的用户的请求处理程序），但这并不一定意味着有法定人数的节点同意！一个节点可能以前是领导者，但是如果其他节点在此期间宣布它死亡（例如，由于网络中断或GC暂停），则它可能已被降级，且另一个领导者可能已经当选。
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如果一个节点继续表现为**天选者**，即使大多数节点已经声明它已经死了，则在考虑不周的系统中可能会导致问题。这样的节点能以自己赋予的权能向其他节点发送消息，如果其他节点相信，整个系统可能会做一些不正确的事情。
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如果一个节点继续表现为**天选者**，即使大多数节点已经声明它已经死了，则在考虑不周的系统中可能会导致问题。这样的节点能以自己赋予的权能向其他节点发送消息，如果其他节点相信，整个系统可能会做一些不正确的事情。
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例如，[图8-4](img/fig8-4.png)显示了由于不正确的锁实现导致的数据损坏错误。 （这个错误不仅仅是理论上的：HBase曾经有这个问题【74,75】）假设你要确保一个存储服务中的文件一次只能被一个客户访问，因为如果多个客户试图写对此，该文件将被损坏。您尝试通过在访问文件之前要求客户端从锁定服务获取租约来实现此目的。
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例如，[图8-4](img/fig8-4.png)显示了由于不正确的锁实现导致的数据损坏错误。 （这个错误不仅仅是理论上的：HBase曾经有这个问题【74,75】）假设你要确保一个存储服务中的文件一次只能被一个客户访问，因为如果多个客户试图写对此，该文件将被损坏。您尝试通过在访问文件之前要求客户端从锁定服务获取租约来实现此目的。
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**图8-4 分布式锁的实现不正确：客户端1认为它仍然具有有效的租约，即使它已经过期，从而破坏了存储中的文件**
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这个问题就是我们先前在“[进程暂停](#进程暂停)”中讨论过的一个例子：如果持有租约的客户端暂停太久，它的租约将到期。另一个客户端可以获得同一文件的租约，并开始写入文件。当暂停的客户端回来时，它认为（不正确）它仍然有一个有效的租约，并继续写入文件。结果，客户的写入冲突和损坏的文件。
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这个问题就是我们先前在“[进程暂停](#进程暂停)”中讨论过的一个例子：如果持有租约的客户端暂停太久，它的租约将到期。另一个客户端可以获得同一文件的租约，并开始写入文件。当暂停的客户端回来时，它认为（不正确）它仍然有一个有效的租约，并继续写入文件。结果，客户的写入冲突和损坏的文件。
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#### 防护令牌
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当使用锁或租约来保护对某些资源（如[图8-4](img/fig8-4.png)中的文件存储）的访问时，需要确保一个被误认为自己是“天选者”的节点不能中断系统的其它部分。实现这一目标的一个相当简单的技术就是**防护（fencing）**，如[图8-5]()所示
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当使用锁或租约来保护对某些资源（如[图8-4](img/fig8-4.png)中的文件存储）的访问时，需要确保一个被误认为自己是“天选者”的节点不能中断系统的其它部分。实现这一目标的一个相当简单的技术就是**防护（fencing）**，如[图8-5]()所示
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**图8-5 只允许以增加屏蔽令牌的顺序进行写操作，从而保证存储安全**
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我们假设每次锁定服务器授予锁或租约时，它还会返回一个**防护令牌（fencing token）**，这个数字在每次授予锁定时都会增加（例如，由锁定服务增加）。然后，我们可以要求客户端每次向存储服务发送写入请求时，都必须包含当前的屏蔽令牌。
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我们假设每次锁定服务器授予锁或租约时，它还会返回一个**防护令牌（fencing token）**，这个数字在每次授予锁定时都会增加（例如，由锁定服务增加）。然后，我们可以要求客户端每次向存储服务发送写入请求时，都必须包含当前的屏蔽令牌。
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在[图8-5](img/fig8-5.png)中，客户端1以33的令牌获得租约，但随后进入一个长时间的停顿并且租约到期。客户端2以34的令牌（该数字总是增加）获取租约，然后将其写入请求发送到存储服务，包括34的令牌。稍后，客户端1恢复生机并将其写入存储服务，包括其令牌值33.但是，存储服务器会记住它已经处理了一个具有更高令牌编号（34）的写入，因此它会拒绝带有令牌33的请求。
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在[图8-5](img/fig8-5.png)中，客户端1以33的令牌获得租约，但随后进入一个长时间的停顿并且租约到期。客户端2以34的令牌（该数字总是增加）获取租约，然后将其写入请求发送到存储服务，包括34的令牌。稍后，客户端1恢复生机并将其写入存储服务，包括其令牌值33.但是，存储服务器会记住它已经处理了一个具有更高令牌编号（34）的写入，因此它会拒绝带有令牌33的请求。
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如果将ZooKeeper用作锁定服务，则可将事务标识`zxid`或节点版本`cversion`用作屏蔽令牌。由于它们保证单调递增，因此它们具有所需的属性【74】。
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如果将ZooKeeper用作锁定服务，则可将事务标识`zxid`或节点版本`cversion`用作屏蔽令牌。由于它们保证单调递增，因此它们具有所需的属性【74】。
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请注意，这种机制要求资源本身在检查令牌方面发挥积极作用，通过拒绝使用旧的令牌，而不是已经被处理的令牌来进行写操作——仅仅依靠客户端检查自己的锁状态是不够的。对于不明确支持屏蔽令牌的资源，可能仍然可以解决此限制（例如，在文件存储服务的情况下，可以将防护令牌包含在文件名中）。但是，为了避免在锁的保护之外处理请求，需要进行某种检查。
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请注意，这种机制要求资源本身在检查令牌方面发挥积极作用，通过拒绝使用旧的令牌，而不是已经被处理的令牌来进行写操作——仅仅依靠客户端检查自己的锁状态是不够的。对于不明确支持屏蔽令牌的资源，可能仍然可以解决此限制（例如，在文件存储服务的情况下，可以将防护令牌包含在文件名中）。但是，为了避免在锁的保护之外处理请求，需要进行某种检查。
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在服务器端检查一个令牌可能看起来像是一个缺点，但这可以说是一件好事：一个服务假定它的客户总是守规矩并不明智，因为使用客户端的人与运行服务的人优先级非常不一样【76】。因此，任何服务保护自己免受意外客户的滥用是一个好主意。
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在服务器端检查一个令牌可能看起来像是一个缺点，但这可以说是一件好事：一个服务假定它的客户总是守规矩并不明智，因为使用客户端的人与运行服务的人优先级非常不一样【76】。因此，任何服务保护自己免受意外客户的滥用是一个好主意。
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### 拜占庭故障
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屏蔽令牌可以检测和阻止无意中发生错误的节点（例如，因为它尚未发现其租约已过期）。但是，如果节点有意破坏系统的保证，则可以通过使用假屏蔽令牌发送消息来轻松完成此操作。
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屏蔽令牌可以检测和阻止无意中发生错误的节点（例如，因为它尚未发现其租约已过期）。但是，如果节点有意破坏系统的保证，则可以通过使用假屏蔽令牌发送消息来轻松完成此操作。
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在本书中，我们假设节点是不可靠但诚实的：它们可能很慢或者从不响应（由于故障），并且它们的状态可能已经过时（由于GC暂停或网络延迟），但是我们假设如果节点它做出了回应，它正在说出“真相”：尽其所知，它正在按照协议的规则扮演其角色。
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在本书中，我们假设节点是不可靠但诚实的：它们可能很慢或者从不响应（由于故障），并且它们的状态可能已经过时（由于GC暂停或网络延迟），但是我们假设如果节点它做出了回应，它正在说出“真相”：尽其所知，它正在按照协议的规则扮演其角色。
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如果存在节点可能“撒谎”（发送任意错误或损坏的响应）的风险，则分布式系统的问题变得更困难了——例如，如果节点可能声称其实际上没有收到特定的消息。这种行为被称为**拜占庭故障（Byzantine fault）**，**在不信任的环境中达成共识的问题被称为拜占庭将军问题**【77】。
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如果存在节点可能“撒谎”（发送任意错误或损坏的响应）的风险，则分布式系统的问题变得更困难了——例如，如果节点可能声称其实际上没有收到特定的消息。这种行为被称为**拜占庭故障（Byzantine fault）**，**在不信任的环境中达成共识的问题被称为拜占庭将军问题**【77】。
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> ### 拜占庭将军问题
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> 拜占庭将军问题是所谓“两将军问题”的概括【78】，它想象两个将军需要就战斗计划达成一致的情况。由于他们在两个不同的地点建立了营地，他们只能通过信使进行沟通，信使有时会被延迟或丢失（就像网络中的信息包一样）。我们将在[第9章](ch9.md)讨论这个共识问题。
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> 拜占庭将军问题是所谓“两将军问题”的概括【78】，它想象两个将军需要就战斗计划达成一致的情况。由于他们在两个不同的地点建立了营地，他们只能通过信使进行沟通，信使有时会被延迟或丢失（就像网络中的信息包一样）。我们将在[第9章](ch9.md)讨论这个共识问题。
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> 在这个拜占庭式的问题中，有n位将军需要同意，他们的努力因为有一些叛徒在他们中间而受到阻碍。大多数的将军都是忠诚的，因而发出了真实的信息，但是叛徒可能会试图通过发送虚假或不真实的信息来欺骗和混淆他人（在试图保持未被发现的同时）。事先并不知道叛徒是谁。
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> 在这个拜占庭式的问题中，有n位将军需要同意，他们的努力因为有一些叛徒在他们中间而受到阻碍。大多数的将军都是忠诚的，因而发出了真实的信息，但是叛徒可能会试图通过发送虚假或不真实的信息来欺骗和混淆他人（在试图保持未被发现的同时）。事先并不知道叛徒是谁。
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> 拜占庭是后来成为君士坦丁堡的古希腊城市，现在在土耳其的伊斯坦布尔。没有任何历史证据表明拜占庭将军比其他地方更容易出现阴谋和阴谋。相反，这个名字来源于拜占庭式的过度复杂，官僚，迂回等意义，早在计算机之前就已经在政治中被使用了【79】。Lamport想要选一个不会冒犯任何读者的国家，他被告知将其称为阿尔巴尼亚将军问题并不是一个好主意【80】。
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> 拜占庭是后来成为君士坦丁堡的古希腊城市，现在在土耳其的伊斯坦布尔。没有任何历史证据表明拜占庭将军比其他地方更容易出现阴谋和阴谋。相反，这个名字来源于拜占庭式的过度复杂，官僚，迂回等意义，早在计算机之前就已经在政治中被使用了【79】。Lamport想要选一个不会冒犯任何读者的国家，他被告知将其称为阿尔巴尼亚将军问题并不是一个好主意【80】。
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当一个系统在部分节点发生故障、不遵守协议、甚至恶意攻击、扰乱网络时仍然能继续正确工作，称之为**拜占庭容错（Byzantine fault-tolerant）**的，在特定场景下，这种担忧在是有意义的：
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当一个系统在部分节点发生故障、不遵守协议、甚至恶意攻击、扰乱网络时仍然能继续正确工作，称之为**拜占庭容错（Byzantine fault-tolerant）**的，在特定场景下，这种担忧在是有意义的：
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* 在航空航天环境中，计算机内存或CPU寄存器中的数据可能被辐射破坏，导致其以任意不可预知的方式响应其他节点。由于系统故障将非常昂贵（例如，飞机撞毁和炸死船上所有人员，或火箭与国际空间站相撞），飞行控制系统必须容忍拜占庭故障【81,82】。
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* 在多个参与组织的系统中，一些参与者可能会试图欺骗或欺骗他人。在这种情况下，节点仅仅信任另一个节点的消息是不安全的，因为它们可能是出于恶意的目的而被发送的。例如，像比特币和其他区块链一样的对等网络可以被认为是让互不信任的各方同意交易是否发生的一种方式，而不依赖于中央当局【83】。
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然而，在本书讨论的那些系统中，我们通常可以安全地假设没有拜占庭式的错误。在你的数据中心里，所有的节点都是由你的组织控制的（所以他们可以信任），辐射水平足够低，内存损坏不是一个大问题。制作拜占庭容错系统的协议相当复杂【84】，而容错嵌入式系统依赖于硬件层面的支持【81】。在大多数服务器端数据系统中，部署拜占庭容错解决方案的成本使其变得不切实际。
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Web应用程序确实需要预期受终端用户控制的客户端（如Web浏览器）的任意和恶意行为。这就是为什么输入验证，清理和输出转义如此重要：例如，防止SQL注入和跨站点脚本。但是，我们通常不使用拜占庭容错协议，而只是让服务器决定什么是客户端行为，而不是允许的。在没有这种中心授权的对等网络中，拜占庭容错更为重要。
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Web应用程序确实需要预期受终端用户控制的客户端（如Web浏览器）的任意和恶意行为。这就是为什么输入验证，清理和输出转义如此重要：例如，防止SQL注入和跨站点脚本。但是，我们通常不使用拜占庭容错协议，而只是让服务器决定什么是客户端行为，而不是允许的。在没有这种中心授权的对等网络中，拜占庭容错更为重要。
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软件中的一个错误可能被认为是拜占庭式的错误，但是如果您将相同的软件部署到所有节点上，那么拜占庭式的容错算法不能为您节省。大多数拜占庭式容错算法要求超过三分之二的节点能够正常工作（即，如果有四个节点，最多只能有一个故障）。要使用这种方法对付bug，你必须有四个独立的相同软件的实现，并希望一个bug只出现在四个实现之一中。
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软件中的一个错误可能被认为是拜占庭式的错误，但是如果您将相同的软件部署到所有节点上，那么拜占庭式的容错算法不能为您节省。大多数拜占庭式容错算法要求超过三分之二的节点能够正常工作（即，如果有四个节点，最多只能有一个故障）。要使用这种方法对付bug，你必须有四个独立的相同软件的实现，并希望一个bug只出现在四个实现之一中。
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同样，如果一个协议可以保护我们免受漏洞，安全妥协和恶意攻击，那么这将是有吸引力的。不幸的是，这也是不现实的：在大多数系统中，如果攻击者可以渗透一个节点，那他们可能会渗透所有这些节点，因为它们可能运行相同的软件。因此传统机制（认证，访问控制，加密，防火墙等）仍然是攻击者的主要保护措施。
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同样，如果一个协议可以保护我们免受漏洞，安全妥协和恶意攻击，那么这将是有吸引力的。不幸的是，这也是不现实的：在大多数系统中，如果攻击者可以渗透一个节点，那他们可能会渗透所有这些节点，因为它们可能运行相同的软件。因此传统机制（认证，访问控制，加密，防火墙等）仍然是攻击者的主要保护措施。
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#### 弱谎言形式
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尽管我们假设节点通常是诚实的，但值得向软件中添加防止“撒谎”弱形式的机制——例如，由硬件问题导致的无效消息，软件错误和错误配置。这种保护机制并不是完全的拜占庭容错，因为它们不能抵挡决心坚定的对手，但它们仍然是简单而实用的步骤，以提高可靠性。例如：
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尽管我们假设节点通常是诚实的，但值得向软件中添加防止“撒谎”弱形式的机制——例如，由硬件问题导致的无效消息，软件错误和错误配置。这种保护机制并不是完全的拜占庭容错，因为它们不能抵挡决心坚定的对手，但它们仍然是简单而实用的步骤，以提高可靠性。例如：
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* 由于硬件问题或操作系统，驱动程序，路由器等中的错误，网络数据包有时会受到损坏。通常，内建于TCP和UDP中的校验和会俘获损坏的数据包，但有时它们会逃避检测【85,86,87】 。简单的措施通常是采用充分的保护来防止这种破坏，例如应用程序级协议中的校验和。
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* 可公开访问的应用程序必须仔细清理来自用户的任何输入，例如检查值是否在合理的范围内，并限制字符串的大小以防止通过大内存分配拒绝服务。防火墙后面的内部服务可能能够在对输入进行较不严格的检查的情况下逃脱，但是一些基本的理智检查（例如，在协议解析中）是一个好主意。
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@ -549,22 +550,22 @@ Web应用程序确实需要预期受终端用户控制的客户端（如Web浏
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### 系统模型与现实
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已经有很多算法被设计以解决分布式系统问题——例如，我们将在[第9章](ch9.md)讨论共识问题的解决方案。为了有用，这些算法需要容忍我们在本章中讨论的分布式系统的各种故障。
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已经有很多算法被设计以解决分布式系统问题——例如，我们将在[第9章](ch9.md)讨论共识问题的解决方案。为了有用，这些算法需要容忍我们在本章中讨论的分布式系统的各种故障。
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算法的编写方式并不过分依赖于运行的硬件和软件配置的细节。这又要求我们以某种方式将我们期望在系统中发生的错误形式化。我们通过定义一个系统模型来做到这一点，这个模型是一个抽象，描述一个算法可能承担的事情。
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算法的编写方式并不过分依赖于运行的硬件和软件配置的细节。这又要求我们以某种方式将我们期望在系统中发生的错误形式化。我们通过定义一个系统模型来做到这一点，这个模型是一个抽象，描述一个算法可能承担的事情。
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关于定时假设，三种系统模型是常用的：
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***同步模型***
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**同步模型（synchronous model）**假设网络延迟，进程暂停和和时钟误差都是有界限的。这并不意味着完全同步的时钟或零网络延迟；这只意味着你知道网络延迟，暂停和时钟漂移将永远不会超过某个固定的上限【88】。同步模型并不是大多数实际系统的现实模型，因为（如本章所讨论的）无限延迟和暂停确实会发生。
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**同步模型（synchronous model）**假设网络延迟，进程暂停和和时钟误差都是有界限的。这并不意味着完全同步的时钟或零网络延迟；这只意味着你知道网络延迟，暂停和时钟漂移将永远不会超过某个固定的上限【88】。同步模型并不是大多数实际系统的现实模型，因为（如本章所讨论的）无限延迟和暂停确实会发生。
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***部分同步模型***
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**部分同步（partial synchronous）**意味着一个系统在大多数情况下像一个同步系统一样运行，但有时候会超出网络延迟，进程暂停和时钟漂移的界限【88】。这是很多系统的现实模型：大多数情况下，网络和进程表现良好，否则我们永远无法完成任何事情，但是我们必须承认，在任何时刻假设都存在偶然被破坏的事实。发生这种情况时，网络延迟，暂停和时钟错误可能会变得相当大。
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**部分同步（partial synchronous）**意味着一个系统在大多数情况下像一个同步系统一样运行，但有时候会超出网络延迟，进程暂停和时钟漂移的界限【88】。这是很多系统的现实模型：大多数情况下，网络和进程表现良好，否则我们永远无法完成任何事情，但是我们必须承认，在任何时刻假设都存在偶然被破坏的事实。发生这种情况时，网络延迟，暂停和时钟错误可能会变得相当大。
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***异步模型***
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在这个模型中，一个算法不允许对时机做任何假设——事实上它甚至没有时钟（所以它不能使用超时）。一些算法被设计为可用于异步模型，但非常受限。
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在这个模型中，一个算法不允许对时机做任何假设——事实上它甚至没有时钟（所以它不能使用超时）。一些算法被设计为可用于异步模型，但非常受限。
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@ -572,23 +573,23 @@ Web应用程序确实需要预期受终端用户控制的客户端（如Web浏
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***崩溃-停止故障***
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在**崩溃停止（crash-stop）**模型中，算法可能会假设一个节点只能以一种方式失效，即通过崩溃。这意味着节点可能在任意时刻突然停止响应，此后该节点永远消失——它永远不会回来。
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在**崩溃停止（crash-stop）**模型中，算法可能会假设一个节点只能以一种方式失效，即通过崩溃。这意味着节点可能在任意时刻突然停止响应，此后该节点永远消失——它永远不会回来。
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***崩溃-恢复故障***
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我们假设节点可能会在任何时候崩溃，但也许会在未知的时间之后再次开始响应。在**崩溃-恢复（crash-recovery）**模型中，假设节点具有稳定的存储（即，非易失性磁盘存储）且会在崩溃中保留，而内存中的状态会丢失。
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我们假设节点可能会在任何时候崩溃，但也许会在未知的时间之后再次开始响应。在**崩溃-恢复（crash-recovery）**模型中，假设节点具有稳定的存储（即，非易失性磁盘存储）且会在崩溃中保留，而内存中的状态会丢失。
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***拜占庭（任意）故障***
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节点可以做（绝对意义上的）任何事情，包括试图戏弄和欺骗其他节点，如上一节所述。
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节点可以做（绝对意义上的）任何事情，包括试图戏弄和欺骗其他节点，如上一节所述。
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对于真实系统的建模，具有**崩溃-恢复故障（crash-recovery）**的**部分同步模型（partial synchronous）**通常是最有用的模型。分布式算法如何应对这种模型？
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#### 算法的正确性
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为了定义算法是正确的，我们可以描述它的属性。例如，排序算法的输出具有如下特性：对于输出列表中的任何两个不同的元素，左边的元素比右边的元素小。这只是定义对列表进行排序含义的一种形式方式。
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为了定义算法是正确的，我们可以描述它的属性。例如，排序算法的输出具有如下特性：对于输出列表中的任何两个不同的元素，左边的元素比右边的元素小。这只是定义对列表进行排序含义的一种形式方式。
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同样，我们可以写下我们想要的分布式算法的属性来定义它的正确含义。例如，如果我们正在为一个锁生成屏蔽令牌（参阅“[屏蔽令牌](屏蔽令牌)”），我们可能要求算法具有以下属性：
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同样，我们可以写下我们想要的分布式算法的属性来定义它的正确含义。例如，如果我们正在为一个锁生成屏蔽令牌（参阅“[屏蔽令牌](屏蔽令牌)”），我们可能要求算法具有以下属性：
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***唯一性***
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@ -606,32 +607,32 @@ Web应用程序确实需要预期受终端用户控制的客户端（如Web浏
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#### 安全性和活性
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为了澄清这种情况，有必要区分两种不同的性质：**安全性（safety）**和**活性（liveness）**。在刚刚给出的例子中，**唯一性（uniqueness）**和**单调序列（monotonic sequence）**是安全属性，但**可用性**是**活性（liveness）**属性。
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为了澄清这种情况，有必要区分两种不同的性质：**安全性（safety）**和**活性（liveness）**。在刚刚给出的例子中，**唯一性（uniqueness）**和**单调序列（monotonic sequence）**是安全属性，但**可用性**是**活性（liveness）**属性。
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这两种性质有什么区别？一个试金石就是，活性属性通常在定义中通常包括“**最终**”一词。 （是的，你猜对了——最终一致性是一个活性属性【89】。）
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这两种性质有什么区别？一个试金石就是，活性属性通常在定义中通常包括“**最终**”一词。 （是的，你猜对了——最终一致性是一个活性属性【89】。）
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安全性通常被非正式地定义为，**没有坏事发生**，而活性通常就类似：**最终好事发生**。但是，最好不要过多地阅读那些非正式的定义，因为好与坏的含义是主观的。安全性和活性的实际定义是精确的和数学的【90】：
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安全性通常被非正式地定义为，**没有坏事发生**，而活性通常就类似：**最终好事发生**。但是，最好不要过多地阅读那些非正式的定义，因为好与坏的含义是主观的。安全性和活性的实际定义是精确的和数学的【90】：
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* 如果安全属性被违反，我们可以指向一个特定的时间点（例如，如果违反了唯一性属性，我们可以确定重复的防护令牌返回的特定操作） 。违反安全属性后，违规行为不能撤销——损失已经发生。
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* 活性属性反过来：在某个时间点（例如，一个节点可能发送了一个请求，但还没有收到响应），它可能不成立，但总是希望在未来（即通过接受答复）。
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区分安全性和活性属性的一个优点是可以帮助我们处理困难的系统模型。对于分布式算法，在系统模型的所有可能情况下，要求始终保持安全属性是常见的【88】。也就是说，即使所有节点崩溃，或者整个网络出现故障，算法仍然必须确保它不会返回错误的结果（即保证安全性得到满足）。
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但是，对于活性属性，我们可以提出一些注意事项：例如，只有在大多数节点没有崩溃的情况下，只有当网络最终从中断中恢复时，我们才可以说请求需要接收响应。部分同步模型的定义要求系统最终返回到同步状态——即任何网络中断的时间段只会持续一段有限的时间，然后进行修复。
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但是，对于活性属性，我们可以提出一些注意事项：例如，只有在大多数节点没有崩溃的情况下，只有当网络最终从中断中恢复时，我们才可以说请求需要接收响应。部分同步模型的定义要求系统最终返回到同步状态——即任何网络中断的时间段只会持续一段有限的时间，然后进行修复。
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#### 将系统模型映射到现实世界
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安全性和活性属性以及系统模型对于推理分布式算法的正确性非常有用。然而，在实践中实施算法时，现实的混乱事实再一次地让你咬牙切齿，很明显系统模型是对现实的简化抽象。
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安全性和活性属性以及系统模型对于推理分布式算法的正确性非常有用。然而，在实践中实施算法时，现实的混乱事实再一次地让你咬牙切齿，很明显系统模型是对现实的简化抽象。
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例如，在故障恢复模型中的算法通常假设稳定存储器中的数据经历了崩溃。但是，如果磁盘上的数据被破坏，或者由于硬件错误或错误配置导致数据被清除，会发生什么情况？如果服务器存在固件错误并且在重新启动时无法识别其硬盘驱动器，即使驱动器已正确连接到服务器，也会发生什么情况？
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例如，在故障恢复模型中的算法通常假设稳定存储器中的数据经历了崩溃。但是，如果磁盘上的数据被破坏，或者由于硬件错误或错误配置导致数据被清除，会发生什么情况？如果服务器存在固件错误并且在重新启动时无法识别其硬盘驱动器，即使驱动器已正确连接到服务器，也会发生什么情况？
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法定人数算法（参见“[读写法定人数](ch5.md#读写法定人数)”）依赖节点来记住它声称存储的数据。如果一个节点可能患有健忘症，忘记了以前存储的数据，这会打破法定条件，从而破坏算法的正确性。也许需要一个新的系统模型，在这个模型中，我们假设稳定的存储大多存在崩溃，但有时可能会丢失。但是那个模型就变得更难以推理了。
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法定人数算法（参见“[读写法定人数](ch5.md#读写法定人数)”）依赖节点来记住它声称存储的数据。如果一个节点可能患有健忘症，忘记了以前存储的数据，这会打破法定条件，从而破坏算法的正确性。也许需要一个新的系统模型，在这个模型中，我们假设稳定的存储大多存在崩溃，但有时可能会丢失。但是那个模型就变得更难以推理了。
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算法的理论描述可以简单宣称一些事在假设上是不会发生的——在非拜占庭式系统中。但实际上我们还是需要对可能发生和不可能发生的故障做出假设，真实世界的实现，仍然会包括处理“假设上不可能”情况的代码，即使代码可能就是`printf("you sucks")`和`exit(666)`，实际上也就是留给运维来擦屁股。（这可以说是计算机科学和软件工程间的一个差异）。
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算法的理论描述可以简单宣称一些事在假设上是不会发生的——在非拜占庭式系统中。但实际上我们还是需要对可能发生和不可能发生的故障做出假设，真实世界的实现，仍然会包括处理“假设上不可能”情况的代码，即使代码可能就是`printf("you sucks")`和`exit(666)`，实际上也就是留给运维来擦屁股。（这可以说是计算机科学和软件工程间的一个差异）。
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这并不是说理论上抽象的系统模型是毫无价值的，恰恰相反。它们对于将实际系统的复杂性降低到一个我们可以推理的可处理的错误是非常有帮助的，以便我们能够理解这个问题，并试图系统地解决这个问题。我们可以证明算法是正确的，通过显示它们的属性总是保持在某个系统模型中
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这并不是说理论上抽象的系统模型是毫无价值的，恰恰相反。它们对于将实际系统的复杂性降低到一个我们可以推理的可处理的错误是非常有帮助的，以便我们能够理解这个问题，并试图系统地解决这个问题。我们可以证明算法是正确的，通过显示它们的属性总是保持在某个系统模型中
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证明算法正确并不意味着它在真实系统上的实现必然总是正确的。但这迈出了很好的第一步，因为理论分析可以发现算法中的问题，这种问题可能会在现实系统中长期潜伏，直到你的假设（例如，时间）因为不寻常的情况被打破。理论分析与经验测试同样重要。
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证明算法正确并不意味着它在真实系统上的实现必然总是正确的。但这迈出了很好的第一步，因为理论分析可以发现算法中的问题，这种问题可能会在现实系统中长期潜伏，直到你的假设（例如，时间）因为不寻常的情况被打破。理论分析与经验测试同样重要。
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@ -645,19 +646,19 @@ Web应用程序确实需要预期受终端用户控制的客户端（如Web浏
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这类**部分失效**可能发生的事实是分布式系统的决定性特征。每当软件试图做任何涉及其他节点的事情时，偶尔就有可能会失败，或者随机变慢，或者根本没有响应（最终超时）。在分布式系统中，我们试图在软件中建立**部分失效**的容错机制，这样整个系统即使在某些组成部分被破坏的情况下，也可以继续运行。
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为了容忍错误，第一步是**检测**它们，但即使这样也很难。大多数系统没有检测节点是否发生故障的准确机制，所以大多数分布式算法依靠**超时**来确定远程节点是否仍然可用。但是，超时无法区分网络失效和节点失效，并且可变的网络延迟有时会导致节点被错误地怀疑发生故障。此外，有时一个节点可能处于降级状态：例如，由于驱动程序错误【94】，千兆网卡可能突然下降到1 Kb/s的吞吐量。这样一个“跛行”而不是死掉的节点可能比一个干净的失效节点更难处理。
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为了容忍错误，第一步是**检测**它们，但即使这样也很难。大多数系统没有检测节点是否发生故障的准确机制，所以大多数分布式算法依靠**超时**来确定远程节点是否仍然可用。但是，超时无法区分网络失效和节点失效，并且可变的网络延迟有时会导致节点被错误地怀疑发生故障。此外，有时一个节点可能处于降级状态：例如，由于驱动程序错误【94】，千兆网卡可能突然下降到1 Kb/s的吞吐量。这样一个“跛行”而不是死掉的节点可能比一个干净的失效节点更难处理。
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一旦检测到故障，使系统容忍它也并不容易：没有全局变量，没有共享内存，没有共同的知识，或机器之间任何其他种类的共享状态。节点甚至不能就现在是什么时间达成一致，就不用说更深奥的了。信息从一个节点流向另一个节点的唯一方法是通过不可靠的网络发送信息。重大决策不能由一个节点安全地完成，因此我们需要一个能从其他节点获得帮助的协议，并争取达到法定人数以达成一致。
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一旦检测到故障，使系统容忍它也并不容易：没有全局变量，没有共享内存，没有共同的知识，或机器之间任何其他种类的共享状态。节点甚至不能就现在是什么时间达成一致，就不用说更深奥的了。信息从一个节点流向另一个节点的唯一方法是通过不可靠的网络发送信息。重大决策不能由一个节点安全地完成，因此我们需要一个能从其他节点获得帮助的协议，并争取达到法定人数以达成一致。
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如果你习惯于在理想化的数学完美（同一个操作总能确定地返回相同的结果）的单机环境中编写软件，那么转向分布式系统的凌乱的物理现实可能会有些令人震惊。相反，如果能够在单台计算机上解决一个问题，那么分布式系统工程师通常会认为这个问题是平凡的【5】，现在单个计算机确实可以做很多事情【95】。如果你可以避免打开潘多拉的盒子，把东西放在一台机器上，那么通常是值得的。
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如果你习惯于在理想化的数学完美（同一个操作总能确定地返回相同的结果）的单机环境中编写软件，那么转向分布式系统的凌乱的物理现实可能会有些令人震惊。相反，如果能够在单台计算机上解决一个问题，那么分布式系统工程师通常会认为这个问题是平凡的【5】，现在单个计算机确实可以做很多事情【95】。如果你可以避免打开潘多拉的盒子，把东西放在一台机器上，那么通常是值得的。
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但是，正如在[第二部分](part-ii.md)的介绍中所讨论的那样，可扩展性并不是使用分布式系统的唯一原因。容错和低延迟（通过将数据放置在距离用户较近的地方）是同等重要的目标，而这些不能用单个节点实现。
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但是，正如在[第二部分](part-ii.md)的介绍中所讨论的那样，可扩展性并不是使用分布式系统的唯一原因。容错和低延迟（通过将数据放置在距离用户较近的地方）是同等重要的目标，而这些不能用单个节点实现。
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在本章中，我们也转换了几次话题，探讨了网络，时钟和进程的不可靠性是否是不可避免的自然规律。我们看到这并不是：有可能给网络提供硬实时的响应保证和有限的延迟，但是这样做非常昂贵，且导致硬件资源的利用率降低。大多数非安全关键系统会选择**便宜而不可靠**，而不是**昂贵和可靠**。
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在本章中，我们也转换了几次话题，探讨了网络，时钟和进程的不可靠性是否是不可避免的自然规律。我们看到这并不是：有可能给网络提供硬实时的响应保证和有限的延迟，但是这样做非常昂贵，且导致硬件资源的利用率降低。大多数非安全关键系统会选择**便宜而不可靠**，而不是**昂贵和可靠**。
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我们还谈到了超级计算机，它们采用可靠的组件，因此当组件发生故障时必须完全停止并重新启动。相比之下，分布式系统可以永久运行而不会在服务层面中断，因为所有的错误和维护都可以在节点级别进行处理——至少在理论上是如此。 （实际上，如果一个错误的配置变更被应用到所有的节点，仍然会使分布式系统瘫痪）。
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我们还谈到了超级计算机，它们采用可靠的组件，因此当组件发生故障时必须完全停止并重新启动。相比之下，分布式系统可以永久运行而不会在服务层面中断，因为所有的错误和维护都可以在节点级别进行处理——至少在理论上是如此。 （实际上，如果一个错误的配置变更被应用到所有的节点，仍然会使分布式系统瘫痪）。
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本章一直在讲存在的问题，给我们展现了一幅黯淡的前景。在[下一章](ch9.md)中，我们将继续讨论解决方案，并讨论一些旨在解决分布式系统中所有问题的算法。
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本章一直在讲存在的问题，给我们展现了一幅黯淡的前景。在[下一章](ch9.md)中，我们将继续讨论解决方案，并讨论一些旨在解决分布式系统中所有问题的算法。
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[TOC]
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正如[第8章](ch8.md)所讨论的，分布式系统中的许多事情可能会出错。处理这种故障的最简单方法是简单地让整个服务失效，并向用户显示错误消息。如果无法接受这个解决方案，我们就需要找到容错的方法—— 即使某些内部组件出现故障，服务也能正常运行。
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正如[第8章](ch8.md)所讨论的，分布式系统中的许多事情可能会出错。处理这种故障的最简单方法是简单地让整个服务失效，并向用户显示错误消息。如果无法接受这个解决方案，我们就需要找到容错的方法—— 即使某些内部组件出现故障，服务也能正常运行。
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在本章中，我们将讨论构建容错分布式系统的算法和协议的一些例子。我们将假设[第8章](ch8.md)的所有问题都可能发生：网络中的数据包可能会丢失，重新排序，重复递送或任意延迟；时钟只是尽其所能地近似；且节点可以暂停（例如，由于垃圾收集）或随时崩溃。
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在本章中，我们将讨论构建容错分布式系统的算法和协议的一些例子。我们将假设[第8章](ch8.md)的所有问题都可能发生：网络中的数据包可能会丢失，重新排序，重复递送或任意延迟；时钟只是尽其所能地近似；且节点可以暂停（例如，由于垃圾收集）或随时崩溃。
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构建容错系统的最好方法，是找到一些带有实用保证的通用抽象，实现一次，然后让应用依赖这些保证。这与[第7章](ch7.md)中的事务处理方法相同：通过使用事务，应用可以假装没有崩溃（原子性），没有其他人同时访问数据库（隔离），存储设备是完全可靠的（持久性）。即使发生崩溃，竞态条件和磁盘故障，事务抽象隐藏了这些问题，因此应用程序不必担心它们。
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构建容错系统的最好方法，是找到一些带有实用保证的通用抽象，实现一次，然后让应用依赖这些保证。这与[第7章](ch7.md)中的事务处理方法相同：通过使用事务，应用可以假装没有崩溃（原子性），没有其他人同时访问数据库（隔离），存储设备是完全可靠的（持久性）。即使发生崩溃，竞态条件和磁盘故障，事务抽象隐藏了这些问题，因此应用不必担心它们。
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现在我们将继续沿着同样的路线前进，寻求可以让应用忽略分布式系统部分问题的抽象概念。例如，分布式系统最重要的抽象之一就是**共识（consensus）**：**就是让所有的节点对某件事达成一致**。正如我们在本章中将会看到的那样，尽管存在网络故障和流程故障，可靠地达成共识是一个令人惊讶的棘手问题。
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现在我们将继续沿着同样的路线前进，寻求可以让应用忽略分布式系统部分问题的抽象概念。例如，分布式系统最重要的抽象之一就是**共识（consensus）**：**就是让所有的节点对某件事达成一致**。正如我们在本章中将会看到的那样，尽管存在网络故障和流程故障，可靠地达成共识是一个令人惊讶的棘手问题。
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一旦达成共识，应用程序可以将其用于各种目的。例如，假设你有一个单主复制的数据库。如果主库挂点，并且需要故障转移到另一个节点，剩余的数据库节点可以使用共识来选举新的领导者。正如在“[处理节点宕机](ch5.md#处理节点宕机)”中所讨论的那样，重要的是只有一个领导者，且所有的节点都认同其领导。如果两个节点都认为自己是领导者，这种情况被称为**脑裂（split brain）**，且经常导致数据丢失。正确实现共识有助于避免这种问题。
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一旦达成共识，应用可以将其用于各种目的。例如，假设你有一个单主复制的数据库。如果主库挂点，并且需要故障转移到另一个节点，剩余的数据库节点可以使用共识来选举新的领导者。正如在“[处理节点宕机](ch5.md#处理节点宕机)”中所讨论的那样，重要的是只有一个领导者，且所有的节点都认同其领导。如果两个节点都认为自己是领导者，这种情况被称为**脑裂（split brain）**，且经常导致数据丢失。正确实现共识有助于避免这种问题。
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在本章后面的“[分布式事务和共识](#分布式事务和共识)”中，我们将研究解决共识和相关问题的算法。但首先，我们首先需要探索可以在分布式系统中提供的保证和抽象的范围。
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在本章后面的“[分布式事务和共识](#分布式事务和共识)”中，我们将研究解决共识和相关问题的算法。但首先，我们首先需要探索可以在分布式系统中提供的保证和抽象的范围。
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我们需要了解可以做什么和不可以做什么的范围：在某些情况下，系统可以容忍故障并继续工作；在其他情况下，这是不可能的。我们将深入研究什么可能而什么不可能的限制，既通过理论证明，也通过实际实现。我们将在本章中概述这些基本限制。
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我们需要了解可以做什么和不可以做什么的范围：在某些情况下，系统可以容忍故障并继续工作；在其他情况下，这是不可能的。我们将深入研究什么可能而什么不可能的限制，既通过理论证明，也通过实际实现。我们将在本章中概述这些基本限制。
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分布式系统领域的研究人员几十年来一直在研究这些主题，所以有很多资料—— 我们只能介绍一些皮毛。在本书中，我们没有空间去详细介绍形式模型和证明的细节，所以我们将坚持非正式的直觉。如果你有兴趣，参考文献可以提供更多的深度。
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分布式系统领域的研究人员几十年来一直在研究这些主题，所以有很多资料—— 我们只能介绍一些皮毛。在本书中，我们没有空间去详细介绍形式模型和证明的细节，所以我们将坚持非正式的直觉。如果你有兴趣，参考文献可以提供更多的深度。
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## 一致性保证
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在“[复制延迟问题](ch5.md#复制延迟问题)”中，我们看到了数据库复制中发生的一些时序问题。如果你在同一时刻查看两个数据库节点，则可能在两个节点上看到不同的数据，因为写请求在不同的时间到达不同的节点。无论数据库使用何种复制方法（单主复制，多主复制或无主复制），都会出现这些不一致情况。
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在“[复制延迟问题](ch5.md#复制延迟问题)”中，我们看到了数据库复制中发生的一些时序问题。如果你在同一时刻查看两个数据库节点，则可能在两个节点上看到不同的数据，因为写请求在不同的时间到达不同的节点。无论数据库使用何种复制方法（单主复制，多主复制或无主复制），都会出现这些不一致情况。
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大多数复制的数据库至少提供了**最终一致性**，这意味着如果你停止向数据库写入数据并等待一段不确定的时间，那么最终所有的读取请求都会返回相同的值【1】。换句话说，不一致性是暂时的，最终会自行解决（假设网络中的任何故障最终都会被修复）。最终一致性的一个更好的名字可能是**收敛（convergence）**，因为我们预计所有的复本最终会收敛到相同的值【2】。
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大多数复制的数据库至少提供了**最终一致性**，这意味着如果你停止向数据库写入数据并等待一段不确定的时间，那么最终所有的读取请求都会返回相同的值【1】。换句话说，不一致性是暂时的，最终会自行解决（假设网络中的任何故障最终都会被修复）。最终一致性的一个更好的名字可能是**收敛（convergence）**，因为我们预计所有的复本最终会收敛到相同的值【2】。
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然而，这是一个非常弱的保证 —— 它并没有说什么什么时候副本会收敛。在收敛之前，读操作可能会返回任何东西或什么都没有【1】。例如，如果你写入了一个值，然后立即再次读取，这并不能保证你能看到刚跟写入的值，因为读请求可能会被路由到另外的副本上。（参阅“[读己之写](ch5.md#读己之写)” ）。
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然而，这是一个非常弱的保证 —— 它并没有说什么什么时候副本会收敛。在收敛之前，读操作可能会返回任何东西或什么都没有【1】。例如，如果你写入了一个值，然后立即再次读取，这并不能保证你能看到刚跟写入的值，因为读请求可能会被路由到另外的副本上。（参阅“[读己之写](ch5.md#读己之写)” ）。
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对于应用程序开发人员而言，最终一致性是很困难的，因为它与普通单线程程序中变量的行为有很大区别。如果将一个值赋给一个变量，然后很快地再次读取，你不会认为可能读到旧的值，或者读取失败。数据库表面上看起来像一个你可以读写的变量，但实际上它有更复杂的语义【3】。
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对于应用开发人员而言，最终一致性是很困难的，因为它与普通单线程程序中变量的行为有很大区别。如果将一个值赋给一个变量，然后很快地再次读取，你不会认为可能读到旧的值，或者读取失败。数据库表面上看起来像一个你可以读写的变量，但实际上它有更复杂的语义【3】。
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在与只提供弱保证的数据库打交道时，你需要始终意识到它的局限性，而不是意外地作出太多假设。错误往往是微妙的，很难找到，也很难测试，因为应用可能在大多数情况下运行良好。当系统出现故障（例如网络中断）或高并发时，最终一致性的边缘情况才会显现出来。
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在与只提供弱保证的数据库打交道时，你需要始终意识到它的局限性，而不是意外地作出太多假设。错误往往是微妙的，很难找到，也很难测试，因为应用可能在大多数情况下运行良好。当系统出现故障（例如网络中断）或高并发时，最终一致性的边缘情况才会显现出来。
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本章将探索数据系统可能选择提供的更强一致性模型。它不是免费的：具有较强保证的系统可能会比保证较差的系统具有更差的性能或更少的容错性。尽管如此，更强的保证可以吸引人，因为它们更容易用对。只有见过不同的一致性模型后，才能更好地决定哪一个最适合自己的需求。
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本章将探索数据系统可能选择提供的更强一致性模型。它不是免费的：具有较强保证的系统可能会比保证较差的系统具有更差的性能或更少的容错性。尽管如此，更强的保证可以吸引人，因为它们更容易用对。只有见过不同的一致性模型后，才能更好地决定哪一个最适合自己的需求。
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**分布式一致性模型**和我们之前讨论的事务隔离级别的层次结构有一些相似之处【4,5】（参见“[弱隔离级别](ch7.md#弱隔离级别)”）。尽管两者有一部分内容重叠，但它们大多是无关的问题：事务隔离主要是为了，**避免由于同时执行事务而导致的竞争状态**，而分布式一致性主要关于，**面对延迟和故障时，如何协调副本间的状态。**
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**分布式一致性模型**和我们之前讨论的事务隔离级别的层次结构有一些相似之处【4,5】（参见“[弱隔离级别](ch7.md#弱隔离级别)”）。尽管两者有一部分内容重叠，但它们大多是无关的问题：事务隔离主要是为了，**避免由于同时执行事务而导致的竞争状态**，而分布式一致性主要关于，**面对延迟和故障时，如何协调副本间的状态。**
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本章涵盖了广泛的话题，但我们将会看到这些领域实际上是紧密联系在一起的：
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## 线性一致性
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在**最终一致**的数据库，如果你在同一时刻问两个不同副本相同的问题，可能会得到两个不同的答案。这很让人困惑。如果数据库可以提供只有一个副本的假象（即，只有一个数据副本），那么事情就简单太多了。那么每个客户端都会有相同的数据视图，且不必担心复制滞后了。
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在**最终一致**的数据库，如果你在同一时刻问两个不同副本相同的问题，可能会得到两个不同的答案。这很让人困惑。如果数据库可以提供只有一个副本的假象（即，只有一个数据副本），那么事情就简单太多了。那么每个客户端都会有相同的数据视图，且不必担心复制滞后了。
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这就是**线性一致性（linearizability）**背后的想法【6】（也称为**原子一致性（atomic consistency）**【7】，**强一致性（strong consistency）**，**立即一致性（immediate consistency）**或**外部一致性（external consistency ）**【8】）。线性一致性的精确定义相当微妙，我们将在本节的剩余部分探讨它。但是基本的想法是让一个系统看起来好像只有一个数据副本，而且所有的操作都是原子性的。有了这个保证，即使实际中可能有多个副本，应用也不需要担心它们。
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这就是**线性一致性（linearizability）**背后的想法【6】（也称为**原子一致性（atomic consistency）**【7】，**强一致性（strong consistency）**，**立即一致性（immediate consistency）**或**外部一致性（external consistency ）**【8】）。线性一致性的精确定义相当微妙，我们将在本节的剩余部分探讨它。但是基本的想法是让一个系统看起来好像只有一个数据副本，而且所有的操作都是原子性的。有了这个保证，即使实际中可能有多个副本，应用也不需要担心它们。
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在一个线性一致的系统中，只要一个客户端成功完成写操作，所有客户端从数据库中读取数据必须能够看到刚刚写入的值。维护数据的单个副本的错觉是指，系统能保障读到的值是最近的，最新的，而不是来自陈旧的缓存或副本。换句话说，线性一致性是一个**新鲜度保证（recency guarantee）**。为了阐明这个想法，我们来看看一个非线性一致系统的例子。
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在一个线性一致的系统中，只要一个客户端成功完成写操作，所有客户端从数据库中读取数据必须能够看到刚刚写入的值。维护数据的单个副本的错觉是指，系统能保障读到的值是最近的，最新的，而不是来自陈旧的缓存或副本。换句话说，线性一致性是一个**新鲜度保证（recency guarantee）**。为了阐明这个想法，我们来看看一个非线性一致系统的例子。
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**图9-1 这个系统是非线性一致的，导致了球迷的困惑**
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[图9-1 ](img/fig9-1.png)展示了一个关于体育网站的非线性一致例子【9】。Alice和Bob正坐在同一个房间里，都盯着各自的手机，关注着2014年FIFA世界杯决赛的结果。在最后得分公布后，Alice刷新页面，看到宣布了获胜者，并兴奋地告诉Bob。Bob难以置信地刷新了自己的手机，但他的请求路由到了一个落后的数据库副本上，手机显示比赛仍在进行。
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[图9-1 ](img/fig9-1.png)展示了一个关于体育网站的非线性一致例子【9】。Alice和Bob正坐在同一个房间里，都盯着各自的手机，关注着2014年FIFA世界杯决赛的结果。在最后得分公布后，Alice刷新页面，看到宣布了获胜者，并兴奋地告诉Bob。Bob难以置信地刷新了自己的手机，但他的请求路由到了一个落后的数据库副本上，手机显示比赛仍在进行。
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如果Alice和Bob在同一时间刷新并获得了两个不同的查询结果，也许就没有那么令人惊讶了。因为他们不知道服务器处理他们请求的精确时刻。然而Bob是在听到Alice惊呼最后得分**之后**，点击了刷新按钮（启动了他的查询），因此他希望查询结果至少与爱丽丝一样新鲜。但他的查询返回了陈旧结果，这一事实违背了线性一致性的要求。
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如果Alice和Bob在同一时间刷新并获得了两个不同的查询结果，也许就没有那么令人惊讶了。因为他们不知道服务器处理他们请求的精确时刻。然而Bob是在听到Alice惊呼最后得分**之后**，点击了刷新按钮（启动了他的查询），因此他希望查询结果至少与爱丽丝一样新鲜。但他的查询返回了陈旧结果，这一事实违背了线性一致性的要求。
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### 什么使得系统线性一致？
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线性一致性背后的基本思想很简单：使系统看起来好像只有一个数据副本。然而确切来讲，实际上有更多要操心的地方。为了更好地理解线性一致性，让我们再看几个例子。
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线性一致性背后的基本思想很简单：使系统看起来好像只有一个数据副本。然而确切来讲，实际上有更多要操心的地方。为了更好地理解线性一致性，让我们再看几个例子。
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[图9-2](img/fig9-2.png) 显示了三个客户端在线性一致数据库中同时读写相同的键`x`。在分布式系统文献中，`x`被称为**寄存器（register）**，例如，它可以是键值存储中的一个**键**，关系数据库中的一**行**，或文档数据库中的一个**文档**。
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[图9-2](img/fig9-2.png) 显示了三个客户端在线性一致数据库中同时读写相同的键`x`。在分布式系统文献中，`x`被称为**寄存器（register）**，例如，它可以是键值存储中的一个**键**，关系数据库中的一**行**，或文档数据库中的一个**文档**。
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**图9-2 如果读取请求与写入请求并发，则可能会返回旧值或新值**
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为了简单起见，[图9-2](img/fig9-2.png)采用了用户请求的视角，而不是数据库内部的视角。每个柱都是由客户端发出的请求，其中柱头是请求发送的时刻，柱尾是客户端收到响应的时刻。因为网络延迟变化无常，客户端不知道数据库处理其请求的精确时间——只知道它发生在发送请求和接收响应的之间的某个时刻。[^i]
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为了简单起见，[图9-2](img/fig9-2.png)采用了用户请求的视角，而不是数据库内部的视角。每个柱都是由客户端发出的请求，其中柱头是请求发送的时刻，柱尾是客户端收到响应的时刻。因为网络延迟变化无常，客户端不知道数据库处理其请求的精确时间——只知道它发生在发送请求和接收响应的之间的某个时刻。[^i]
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[^i]: 这个图的一个微妙的细节是它假定存在一个全局时钟，由水平轴表示。即使真实的系统通常没有准确的时钟（参阅“[不可靠的时钟](ch8.md#不可靠的时钟)”），但这种假设是允许的：为了分析分布式算法，我们可以假设一个精确的全局时钟存在，不过算法无法访问它【47】。算法只能看到由石英振荡器和NTP产生的实时逼近。
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@ -106,11 +106,11 @@
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**图9-3 任何一个读取返回新值后，所有后续读取（在相同或其他客户端上）也必须返回新值。**
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在一个线性一致的系统中，我们可以想象，在 `x` 的值从`0` 自动翻转到 `1` 的时候（在写操作的开始和结束之间）必定有一个时间点。因此，如果一个客户端的读取返回新的值 `1`，即使写操作尚未完成，所有后续读取也必须返回新值。
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在一个线性一致的系统中，我们可以想象，在 `x` 的值从`0` 自动翻转到 `1` 的时候（在写操作的开始和结束之间）必定有一个时间点。因此，如果一个客户端的读取返回新的值 `1`，即使写操作尚未完成，所有后续读取也必须返回新值。
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[图9-3](img/fig9-3.png)中的箭头说明了这个时序依赖关系。客户端A 是第一个读取新的值 `1` 的位置。在A 的读取返回之后，B开始新的读取。由于B的读取严格在发生于A的读取之后，因此即使C的写入仍在进行中，也必须返回 `1`。 （与[图9-1](img/fig9-1.png)中的Alice和Bob的情况相同：在Alice读取新值之后，Bob也希望读取新的值。）
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[图9-3](img/fig9-3.png)中的箭头说明了这个时序依赖关系。客户端A 是第一个读取新的值 `1` 的位置。在A 的读取返回之后，B开始新的读取。由于B的读取严格在发生于A的读取之后，因此即使C的写入仍在进行中，也必须返回 `1`。 （与[图9-1](img/fig9-1.png)中的Alice和Bob的情况相同：在Alice读取新值之后，Bob也希望读取新的值。）
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我们可以进一步细化这个时序图，展示每个操作是如何在特定时刻原子性生效的。[图9-4](img/fig9-4.png)显示了一个更复杂的例子【10】。
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我们可以进一步细化这个时序图，展示每个操作是如何在特定时刻原子性生效的。[图9-4](img/fig9-4.png)显示了一个更复杂的例子【10】。
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在[图9-4]()中，除了读写之外，还增加了第三种类型的操作：
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[图9-4]()中的每个操作都在我们认为执行操作的时候用竖线标出（在每个操作的条柱之内）。这些标记按顺序连在一起，其结果必须是一个有效的寄存器读写序列（**每次读取都必须返回最近一次写入设置的值**）。
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线性一致性的要求是，操作标记的连线总是按时间（从左到右）向前移动，而不是向后移动。这个要求确保了我们之前讨论的新鲜性保证：一旦新的值被写入或读取，所有后续的读都会看到写入的值，直到它被再次覆盖。
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线性一致性的要求是，操作标记的连线总是按时间（从左到右）向前移动，而不是向后移动。这个要求确保了我们之前讨论的新鲜性保证：一旦新的值被写入或读取，所有后续的读都会看到写入的值，直到它被再次覆盖。
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@ -158,113 +158,115 @@
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### 依赖线性一致性
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线性一致性在什么情况下有用？观看体育比赛的最后得分可能是一个轻率的例子：过了几秒钟的结果不可能在这种情况下造成任何真正的伤害。然而对于少数领域，线性一致性是系统正确工作的一个重要条件。
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线性一致性在什么情况下有用？观看体育比赛的最后得分可能是一个轻率的例子：过了几秒钟的结果不可能在这种情况下造成任何真正的伤害。然而对于少数领域，线性一致性是系统正确工作的一个重要条件。
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#### 锁定和领导选举
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一个使用单主复制的系统，需要确保领导真的只有一个，而不是几个（脑裂）。一种选择领导者的方法是使用锁：每个节点在启动时尝试获取锁，成功者成为领导者【14】。不管这个锁是如何实现的，它必须是线性一致的：所有节点必须就哪个节点拥有锁达成一致，否则就没用了。
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一个使用单主复制的系统，需要确保领导真的只有一个，而不是几个（脑裂）。一种选择领导者的方法是使用锁：每个节点在启动时尝试获取锁，成功者成为领导者【14】。不管这个锁是如何实现的，它必须是线性一致的：所有节点必须就哪个节点拥有锁达成一致，否则就没用了。
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诸如Apache ZooKeeper 【15】和etcd 【16】之类的协调服务通常用于实现分布式锁和领导者选举。它们使用一致性算法，以容错的方式实现线性一致的操作（在本章后面的“[容错共识](#容错共识)”中讨论此类算法）[^iii]。还有许多微妙的细节来正确地实现锁和领导者选择（例如，参阅“[领导者和锁](#领导者和锁)”中的屏蔽问题），而像Apache Curator 【17】这样的库则通过在ZooKeeper之上提供更高级别的配方来提供帮助。但是，线性一致性存储服务是这些协调任务的基础。
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诸如Apache ZooKeeper 【15】和etcd 【16】之类的协调服务通常用于实现分布式锁和领导者选举。它们使用一致性算法，以容错的方式实现线性一致的操作（在本章后面的“[容错共识](#容错共识)”中讨论此类算法）[^iii]。还有许多微妙的细节来正确地实现锁和领导者选择（例如，参阅“[领导者和锁](#领导者和锁)”中的屏蔽问题），而像Apache Curator 【17】这样的库则通过在ZooKeeper之上提供更高级别的配方来提供帮助。但是，线性一致性存储服务是这些协调任务的基础。
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[^iii]: 严格地说，ZooKeeper和etcd提供线性一致性的写操作，但读取可能是陈旧的，因为默认情况下，它们可以由任何一个副本服务。你可以选择请求线性一致性读取：etcd调用这个法定读取【16】，而在ZooKeeper中，你需要在读取【15】之前调用`sync()`。参阅“[使用全局顺序广播实现线性存储](#使用全局顺序广播实现线性存储)”。
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分布式锁也在一些分布式数据库（如Oracle Real Application Clusters（RAC）【18】）中以更细的粒度使用。 RAC对每个磁盘页面使用一个锁，多个节点共享对同一个磁盘存储系统的访问权限。由于这些线性一致的锁处于事务执行的关键路径上，RAC部署通常具有用于数据库节点之间通信的专用集群互连网络。
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分布式锁也在一些分布式数据库（如Oracle Real Application Clusters（RAC）【18】）中以更细的粒度使用。 RAC对每个磁盘页面使用一个锁，多个节点共享对同一个磁盘存储系统的访问权限。由于这些线性一致的锁处于事务执行的关键路径上，RAC部署通常具有用于数据库节点之间通信的专用集群互连网络。
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#### 约束和唯一性保证
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唯一性约束在数据库中很常见：例如，用户名或电子邮件地址必须唯一标识一个用户，而在文件存储服务中，不能有两个具有相同路径和文件名的文件。如果要在写入数据时强制执行此约束（例如，如果两个人试图同时创建一个具有相同名称的用户或文件，其中一个将返回一个错误），则需要线性一致性。
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唯一性约束在数据库中很常见：例如，用户名或电子邮件地址必须唯一标识一个用户，而在文件存储服务中，不能有两个具有相同路径和文件名的文件。如果要在写入数据时强制执行此约束（例如，如果两个人试图同时创建一个具有相同名称的用户或文件，其中一个将返回一个错误），则需要线性一致性。
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这种情况实际上类似于一个锁：当一个用户注册你的服务时，可以认为他们获得了所选用户名的“锁定”。该操作与原子性的比较与设置非常相似：将用户名赋予声明它的用户，前提是用户名尚未被使用。
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这种情况实际上类似于一个锁：当一个用户注册你的服务时，可以认为他们获得了所选用户名的“锁定”。该操作与原子性的比较与设置非常相似：将用户名赋予声明它的用户，前提是用户名尚未被使用。
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如果想要确保银行账户余额永远不会为负数，或者不会出售比仓库里的库存更多的物品，或者两个人不会都预定了航班或剧院里同一时间的同一个位置。这些约束条件都要求所有节点都同意一个最新的值（账户余额，库存水平，座位占用率）。
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如果想要确保银行账户余额永远不会为负数，或者不会出售比仓库里的库存更多的物品，或者两个人不会都预定了航班或剧院里同一时间的同一个位置。这些约束条件都要求所有节点都同意一个最新的值（账户余额，库存水平，座位占用率）。
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在实际应用中，处理这些限制有时是可以接受的（例如，如果航班超额预订，你可以将客户转移到不同的航班并为其提供补偿）。在这种情况下，可能不需要线性一致性，我们将在“[及时性与完整性](ch12.md#及时性与完整性)”中讨论这种松散解释的约束。
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在实际应用中，处理这些限制有时是可以接受的（例如，如果航班超额预订，你可以将客户转移到不同的航班并为其提供补偿）。在这种情况下，可能不需要线性一致性，我们将在“[及时性与完整性](ch12.md#及时性与完整性)”中讨论这种松散解释的约束。
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然而，一个硬性的唯一性约束（关系型数据库中常见的那种）需要线性一致性。其他类型的约束，如外键或属性约束，可以在不需要线性一致性的情况下实现【19】。
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然而，一个硬性的唯一性约束（关系型数据库中常见的那种）需要线性一致性。其他类型的约束，如外键或属性约束，可以在不需要线性一致性的情况下实现【19】。
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#### 跨信道的时序依赖
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注意[图9-1](img/fig9-1.png) 中的一个细节：如果Alice没有惊呼得分，Bob就不会知道他的查询结果是陈旧的。他会在几秒钟之后再次刷新页面，并最终看到最后的分数。由于系统中存在额外的信道（Alice的声音传到了Bob的耳朵中），线性一致性的违背才被注意到。
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注意[图9-1](img/fig9-1.png) 中的一个细节：如果Alice没有惊呼得分，Bob就不会知道他的查询结果是陈旧的。他会在几秒钟之后再次刷新页面，并最终看到最后的分数。由于系统中存在额外的信道（Alice的声音传到了Bob的耳朵中），线性一致性的违背才被注意到。
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计算机系统也会出现类似的情况。例如，假设有一个网站，用户可以上传照片，一个后台进程会调整照片大小，降低分辨率以加快下载速度（缩略图）。该系统的架构和数据流如[图9-5](img/fig9-5.png)所示。
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计算机系统也会出现类似的情况。例如，假设有一个网站，用户可以上传照片，一个后台进程会调整照片大小，降低分辨率以加快下载速度（缩略图）。该系统的架构和数据流如[图9-5](img/fig9-5.png)所示。
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图像缩放器需要明确的指令来执行尺寸缩放作业，指令是Web服务器通过消息队列发送的（参阅[第11章](ch11.md)）。 Web服务器不会将整个照片放在队列中，因为大多数消息代理都是针对较短的消息而设计的，而一张照片的空间占用可能达到几兆字节。取而代之的是，首先将照片写入文件存储服务，写入完成后再将缩放器的指令放入消息队列。
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图像缩放器需要明确的指令来执行尺寸缩放作业，指令是Web服务器通过消息队列发送的（参阅[第11章](ch11.md)）。 Web服务器不会将整个照片放在队列中，因为大多数消息代理都是针对较短的消息而设计的，而一张照片的空间占用可能达到几兆字节。取而代之的是，首先将照片写入文件存储服务，写入完成后再将缩放器的指令放入消息队列。
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**图9-5 Web服务器和图像调整器通过文件存储和消息队列进行通信，打开竞争条件的可能性。**
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如果文件存储服务是线性一致的，那么这个系统应该可以正常工作。如果它不是线性一致的，则存在竞争条件的风险：消息队列（[图9-5](img/fig9-5.png)中的步骤3和4）可能比存储服务内部的复制更快。在这种情况下，当缩放器读取图像（步骤5）时，可能会看到图像的旧版本，或者什么都没有。如果它处理的是旧版本的图像，则文件存储中的全尺寸图和略缩图就产生了永久性的不一致。
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如果文件存储服务是线性一致的，那么这个系统应该可以正常工作。如果它不是线性一致的，则存在竞争条件的风险：消息队列（[图9-5](img/fig9-5.png)中的步骤3和4）可能比存储服务内部的复制更快。在这种情况下，当缩放器读取图像（步骤5）时，可能会看到图像的旧版本，或者什么都没有。如果它处理的是旧版本的图像，则文件存储中的全尺寸图和略缩图就产生了永久性的不一致。
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出现这个问题是因为Web服务器和缩放器之间存在两个不同的信道：文件存储与消息队列。没有线性一致性的新鲜性保证，这两个信道之间的竞争条件是可能的。这种情况类似于[图9-1](img/fig9-1.png)，数据库复制与Alice的嘴到Bob耳朵之间的真人音频信道之间也存在竞争条件。
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出现这个问题是因为Web服务器和缩放器之间存在两个不同的信道：文件存储与消息队列。没有线性一致性的新鲜性保证，这两个信道之间的竞争条件是可能的。这种情况类似于[图9-1](img/fig9-1.png)，数据库复制与Alice的嘴到Bob耳朵之间的真人音频信道之间也存在竞争条件。
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线性一致性并不是避免这种竞争条件的唯一方法，但它是最容易理解的。如果你可以控制额外信道（例如消息队列的例子，而不是在Alice和Bob的例子），则可以使用在“[读己之写](ch5.md#读己之写)”讨论过的备选方法，不过会有额外的复杂度代价。
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线性一致性并不是避免这种竞争条件的唯一方法，但它是最容易理解的。如果你可以控制额外信道（例如消息队列的例子，而不是在Alice和Bob的例子），则可以使用在“[读己之写](ch5.md#读己之写)”讨论过的备选方法，不过会有额外的复杂度代价。
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### 实现线性一致的系统
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我们已经见到了几个线性一致性有用的例子，让我们思考一下，如何实现一个提供线性一致语义的系统。
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我们已经见到了几个线性一致性有用的例子，让我们思考一下，如何实现一个提供线性一致语义的系统。
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由于线性一致性本质上意味着“表现得好像只有一个数据副本，而且所有的操作都是原子的”，所以最简单的答案就是，真的只用一个数据副本。但是这种方法无法容错：如果持有该副本的节点失效，数据将会丢失，或者至少无法访问，直到节点重新启动。
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由于线性一致性本质上意味着“表现得好像只有一个数据副本，而且所有的操作都是原子的”，所以最简单的答案就是，真的只用一个数据副本。但是这种方法无法容错：如果持有该副本的节点失效，数据将会丢失，或者至少无法访问，直到节点重新启动。
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使系统容错最常用的方法是使用复制。我们再来回顾[第5章](ch5.md)中的复制方法，并比较它们是否可以满足线性一致性：
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使系统容错最常用的方法是使用复制。我们再来回顾[第5章](ch5.md)中的复制方法，并比较它们是否可以满足线性一致性：
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***单主复制（可能线性一致）***
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在具有单主复制功能的系统中（参见“[领导者与追随者](ch5.md#领导者与追随者)”），主库具有用于写入的数据的主副本，而追随者在其他节点上保留数据的备份副本。如果从主库或同步更新的从库读取数据，它们**可能（protential）**是线性一致性的[^iv]。然而，并不是每个单主数据库都是实际线性一致性的，无论是通过设计（例如，因为使用快照隔离）还是并发错误【10】。
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在具有单主复制功能的系统中（参见“[领导者与追随者](ch5.md#领导者与追随者)”），主库具有用于写入的数据的主副本，而追随者在其他节点上保留数据的备份副本。如果从主库或同步更新的从库读取数据，它们**可能（protential）**是线性一致性的[^iv]。然而，并不是每个单主数据库都是实际线性一致性的，无论是通过设计（例如，因为使用快照隔离）还是并发错误【10】。
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[^iv]: 对单领域数据库进行分区（分片），以便每个分区有一个单独的领导者，不会影响线性一致性，因为线性一致性只是对单一对象的保证。 交叉分区事务是一个不同的问题（参阅“[分布式事务和共识](#分布式事务和共识)”）。
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从主库读取依赖一个假设，你确定领导是谁。正如在“[真理在多数人手中](ch8.md#真理被多数人定义)”中所讨论的那样，一个节点很可能会认为它是领导者，而事实上并非如此——如果具有错觉的领导者继续为请求提供服务，可能违反线性一致性【20】。使用异步复制，故障转移时甚至可能会丢失已提交的写入（参阅“[处理节点宕机](ch5.md#处理节点宕机)”），这同时违反了持久性和线性一致性。
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从主库读取依赖一个假设，你确定领导是谁。正如在“[真理在多数人手中](ch8.md#真理被多数人定义)”中所讨论的那样，一个节点很可能会认为它是领导者，而事实上并非如此——如果具有错觉的领导者继续为请求提供服务，可能违反线性一致性【20】。使用异步复制，故障转移时甚至可能会丢失已提交的写入（参阅“[处理节点宕机](ch5.md#处理节点宕机)”），这同时违反了持久性和线性一致性。
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***共识算法（线性一致）***
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一些在本章后面讨论的共识算法，与单领导者复制类似。然而，共识协议包含防止脑裂和陈旧副本的措施。由于这些细节，共识算法可以安全地实现线性一致性存储。例如，Zookeeper 【21】和etcd 【22】就是这样工作的。
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一些在本章后面讨论的共识算法，与单领导者复制类似。然而，共识协议包含防止脑裂和陈旧副本的措施。由于这些细节，共识算法可以安全地实现线性一致性存储。例如，Zookeeper 【21】和etcd 【22】就是这样工作的。
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***多主复制（非线性一致）***
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具有多主程序复制的系统通常不是线性一致的，因为它们同时在多个节点上处理写入，并将其异步复制到其他节点。因此，它们可能会产生冲突的写入，需要解析（参阅“[处理写入冲突](ch5.md#处理写入冲突)”）。这种冲突是因为缺少单一数据副本人为产生的。
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具有多主程序复制的系统通常不是线性一致的，因为它们同时在多个节点上处理写入，并将其异步复制到其他节点。因此，它们可能会产生冲突的写入，需要解析（参阅“[处理写入冲突](ch5.md#处理写入冲突)”）。这种冲突是因为缺少单一数据副本人为产生的。
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***无主复制（也许不是线性一致的）***
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对于无领导者复制的系统（Dynamo风格；参阅“[无主复制](ch5.md#无主复制)”），有时候人们会声称通过要求法定人数读写（ $w + r> n$ ）可以获得“强一致性”。这取决于法定人数的具体配置，以及强一致性如何定义（通常不完全正确）。
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对于无领导者复制的系统（Dynamo风格；参阅“[无主复制](ch5.md#无主复制)”），有时候人们会声称通过要求法定人数读写（ $w + r> n$ ）可以获得“强一致性”。这取决于法定人数的具体配置，以及强一致性如何定义（通常不完全正确）。
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基于时钟（例如，在Cassandra中；参见“[依赖同步时钟](ch8.md#依赖同步时钟)”）的“最后写入胜利”冲突解决方法几乎可以确定是非线性的，由于时钟偏差，不能保证时钟的时间戳与实际事件顺序一致。[松散的法定人数](ch5.md#马虎法定人数和暗示交接)也破坏了线性一致的可能性。即使使用严格的法定人数，非线性一致的行为也是可能的，如下节所示。
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基于时钟（例如，在Cassandra中；参见“[依赖同步时钟](ch8.md#依赖同步时钟)”）的“最后写入胜利”冲突解决方法几乎可以确定是非线性的，由于时钟偏差，不能保证时钟的时间戳与实际事件顺序一致。[松散的法定人数](ch5.md#马虎法定人数和暗示交接)也破坏了线性一致的可能性。即使使用严格的法定人数，非线性一致的行为也是可能的，如下节所示。
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#### 线性一致性和法定人数
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直觉上在Dynamo风格的模型中，严格的法定人数读写应该是线性一致性的。但是当我们有可变的网络延迟时，就可能存在竞争条件，如[图9-6](img/fig9-6.png)所示。
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直觉上在Dynamo风格的模型中，严格的法定人数读写应该是线性一致性的。但是当我们有可变的网络延迟时，就可能存在竞争条件，如[图9-6](img/fig9-6.png)所示。
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**图9-6 非线性一致的执行，尽管使用了严格的法定人数**
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在[图9-6](img/fig9-6.png)中，$x$ 的初始值为0，写入客户端通过向所有三个副本（ $n = 3, w = 3$ ）发送写入将 $x$ 更新为 `1`。客户端A并发地从两个节点组成的法定人群（ $r = 2$ ）中读取数据，并在其中一个节点上看到新值 `1` 。客户端B也并发地从两个不同的节点组成的法定人数中读取，并从两个节点中取回了旧值 `0` 。
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在[图9-6](img/fig9-6.png)中，$x$ 的初始值为0，写入客户端通过向所有三个副本（ $n = 3, w = 3$ ）发送写入将 $x$ 更新为 `1`。客户端A并发地从两个节点组成的法定人群（ $r = 2$ ）中读取数据，并在其中一个节点上看到新值 `1` 。客户端B也并发地从两个不同的节点组成的法定人数中读取，并从两个节点中取回了旧值 `0` 。
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仲裁条件满足（ $w + r> n$ ），但是这个执行是非线性一致的：B的请求在A的请求完成后开始，但是B返回旧值，而A返回新值。 （又一次，如同Alice和Bob的例子 [图9-1]()）
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仲裁条件满足（ $w + r> n$ ），但是这个执行是非线性一致的：B的请求在A的请求完成后开始，但是B返回旧值，而A返回新值。 （又一次，如同Alice和Bob的例子 [图9-1]()）
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有趣的是，通过牺牲性能，可以使Dynamo风格的法定人数线性化：读取者必须在将结果返回给应用程序之前，同步执行读取修复（参阅“[读时修复与反熵过程](ch5.md#读时修复与反熵过程)”） ，并且写入者必须在发送写入之前，读取法定数量节点的最新状态【24,25】。然而，由于性能损失，Riak不执行同步读取修复【26】。 Cassandra在进行法定人数读取时，**确实**在等待读取修复完成【27】；但是由于使用了最后写入为准的冲突解决方案，当同一个键有多个并发写入时，将不能保证线性一致性。
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有趣的是，通过牺牲性能，可以使Dynamo风格的法定人数线性化：读取者必须在将结果返回给应用之前，同步执行读取修复（参阅“[读时修复与反熵过程](ch5.md#读时修复与反熵过程)”） ，并且写入者必须在发送写入之前，读取法定数量节点的最新状态【24,25】。然而，由于性能损失，Riak不执行同步读取修复【26】。 Cassandra在进行法定人数读取时，**确实**在等待读取修复完成【27】；但是由于使用了最后写入为准的冲突解决方案，当同一个键有多个并发写入时，将不能保证线性一致性。
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而且，这种方式只能实现线性一致的读写；不能实现线性一致的比较和设置操作，因为它需要一个共识算法【28】。
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而且，这种方式只能实现线性一致的读写；不能实现线性一致的比较和设置操作，因为它需要一个共识算法【28】。
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总而言之，最安全的做法是：假设采用Dynamo风格无主复制的系统不能提供线性一致性。
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总而言之，最安全的做法是：假设采用Dynamo风格无主复制的系统不能提供线性一致性。
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### 线性一致性的代价
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一些复制方法可以提供线性一致性，另一些复制方法则不能，因此深入地探讨线性一致性的优缺点是很有趣的。
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一些复制方法可以提供线性一致性，另一些复制方法则不能，因此深入地探讨线性一致性的优缺点是很有趣的。
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我们已经在[第五章](ch5.md)中讨论了不同复制方法的一些用例。例如对多数据中心的复制而言，多主复制通常是理想的选择（参阅“[运维多个数据中心](ch5.md#运维多个数据中心)”）。[图9-7](img/fig9-7.png)说明了这种部署的一个例子。
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我们已经在[第五章](ch5.md)中讨论了不同复制方法的一些用例。例如对多数据中心的复制而言，多主复制通常是理想的选择（参阅“[运维多个数据中心](ch5.md#运维多个数据中心)”）。[图9-7](img/fig9-7.png)说明了这种部署的一个例子。
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**图9-7 网络中断迫使在线性一致性和可用性之间做出选择。**
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考虑这样一种情况：如果两个数据中心之间发生网络中断会发生什么？我们假设每个数据中心内的网络正在工作，客户端可以访问数据中心，但数据中心之间彼此无法互相连接。
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考虑这样一种情况：如果两个数据中心之间发生网络中断会发生什么？我们假设每个数据中心内的网络正在工作，客户端可以访问数据中心，但数据中心之间彼此无法互相连接。
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使用多主数据库，每个数据中心都可以继续正常运行：由于在一个数据中心写入的数据是异步复制到另一个数据中心的，所以在恢复网络连接时，写入操作只是简单地排队并交换。
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使用多主数据库，每个数据中心都可以继续正常运行：由于在一个数据中心写入的数据是异步复制到另一个数据中心的，所以在恢复网络连接时，写入操作只是简单地排队并交换。
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另一方面，如果使用单主复制，则主库必须位于其中一个数据中心。任何写入和任何线性一致的读取请求都必须发送给该主库，因此对于连接到从库所在数据中心的客户端，这些读取和写入请求必须通过网络同步发送到主库所在的数据中心。
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另一方面，如果使用单主复制，则主库必须位于其中一个数据中心。任何写入和任何线性一致的读取请求都必须发送给该主库，因此对于连接到从库所在数据中心的客户端，这些读取和写入请求必须通过网络同步发送到主库所在的数据中心。
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在单主配置的条件下，如果数据中心之间的网络被中断，则连接到从库数据中心的客户端无法联系到主库，因此它们无法对数据库执行任何写入，也不能执行任何线性一致的读取。它们仍能从从库读取，但结果可能是陈旧的（非线性一致）。如果应用需要线性一致的读写，却又位于与主库网络中断的数据中心，则网络中断将导致这些应用不可用。
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在单主配置的条件下，如果数据中心之间的网络被中断，则连接到从库数据中心的客户端无法联系到主库，因此它们无法对数据库执行任何写入，也不能执行任何线性一致的读取。它们仍能从从库读取，但结果可能是陈旧的（非线性一致）。如果应用需要线性一致的读写，却又位于与主库网络中断的数据中心，则网络中断将导致这些应用不可用。
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如果客户端可以直接连接到主库所在的数据中心，这就不是问题了，哪些应用可以继续正常工作。但直到网络链接修复之前，只能访问从库数据中心的客户端会中断运行。
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因此不需要线性一致性的应用对网络问题有更强的容错能力。这种见解通常被称为CAP定理【29,30,31,32】，由Eric Brewer于2000年命名，尽管70年代的分布式数据库设计者早就知道了这种权衡【33,34,35,36】。
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CAP最初是作为一个经验法则提出的，没有准确的定义，目的是开始讨论数据库的权衡。那时候许多分布式数据库侧重于在共享存储的集群上提供线性一致性的语义【18】，CAP定理鼓励数据库工程师向分布式无共享系统的设计领域深入探索，这类架构更适合实现大规模的网络服务【37】。 对于这种文化上的转变，CAP值得赞扬 —— 它见证了自00年代中期以来新数据库的技术爆炸（即NoSQL）。
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CAP最初是作为一个经验法则提出的，没有准确的定义，目的是开始讨论数据库的权衡。那时候许多分布式数据库侧重于在共享存储的集群上提供线性一致性的语义【18】，CAP定理鼓励数据库工程师向分布式无共享系统的设计领域深入探索，这类架构更适合实现大规模的网络服务【37】。 对于这种文化上的转变，CAP值得赞扬 —— 它见证了自00年代中期以来新数据库的技术爆炸（即NoSQL）。
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> ### CAP定理没有帮助
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@ -289,29 +291,29 @@ CAP最初是作为一个经验法则提出的，没有准确的定义，目的
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> 在CAP的讨论中，术语可用性有几个相互矛盾的定义，形式化作为一个定理【30】并不符合其通常的含义【40】。许多所谓的“高可用”（容错）系统实际上不符合CAP对可用性的特殊定义。总而言之，围绕着CAP有很多误解和困惑，并不能帮助我们更好地理解系统，所以最好避免使用CAP。
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CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一个一致性模型（即线性一致性）和一种故障（网络分区[^vi]，或活跃但彼此断开的节点）。它没有讨论任何关于网络延迟，死亡节点或其他权衡的事。 因此，尽管CAP在历史上有一些影响力，但对于设计系统而言并没有实际价值【9,40】。
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CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一个一致性模型（即线性一致性）和一种故障（网络分区[^vi]，或活跃但彼此断开的节点）。它没有讨论任何关于网络延迟，死亡节点或其他权衡的事。 因此，尽管CAP在历史上有一些影响力，但对于设计系统而言并没有实际价值【9,40】。
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在分布式系统中有更多有趣的“不可能”的结果【41】，且CAP定理现在已经被更精确的结果取代【2,42】，所以它现在基本上成了历史古迹了。
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在分布式系统中有更多有趣的“不可能”的结果【41】，且CAP定理现在已经被更精确的结果取代【2,42】，所以它现在基本上成了历史古迹了。
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[^vi]: 正如“[真实世界的网络故障](ch8.md#真实世界的网络故障)”中所讨论的，本书使用**分区（partition）**指代将大数据集细分为小数据集的操作（分片；参见[第6章](ch6.md)）。与之对应的是，**网络分区（network partition）**是一种特定类型的网络故障，我们通常不会将其与其他类型的故障分开考虑。但是，由于它是CAP的P，所以这种情况下不能将其混为一谈。
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#### 线性一致性和网络延迟
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虽然线性一致是一个很有用的保证，但实际上，线性一致的系统惊人的少。例如，现代多核CPU上的内存甚至都不是线性一致的【43】：如果一个CPU核上运行的线程写入某个内存地址，而另一个CPU核上运行的线程不久之后读取相同的地址，并没有保证一定能一定读到第一个线程写入的值（除非使用了**内存屏障（memory barrier）**或**围栏（fence）**【44】）。
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虽然线性一致是一个很有用的保证，但实际上，线性一致的系统惊人的少。例如，现代多核CPU上的内存甚至都不是线性一致的【43】：如果一个CPU核上运行的线程写入某个内存地址，而另一个CPU核上运行的线程不久之后读取相同的地址，并没有保证一定能一定读到第一个线程写入的值（除非使用了**内存屏障（memory barrier）**或**围栏（fence）**【44】）。
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这种行为的原因是每个CPU核都有自己的内存缓存和存储缓冲区。默认情况下，内存访问首先走缓存，任何变更会异步写入主存。因为缓存访问比主存要快得多【45】，所以这个特性对于现代CPU的良好性能表现至关重要。但是现在就有几个数据副本（一个在主存中，也许还有几个在不同缓存中的其他副本），而且这些副本是异步更新的，所以就失去了线性一致性。
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这种行为的原因是每个CPU核都有自己的内存缓存和存储缓冲区。默认情况下，内存访问首先走缓存，任何变更会异步写入主存。因为缓存访问比主存要快得多【45】，所以这个特性对于现代CPU的良好性能表现至关重要。但是现在就有几个数据副本（一个在主存中，也许还有几个在不同缓存中的其他副本），而且这些副本是异步更新的，所以就失去了线性一致性。
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为什么要做这个权衡？对多核内存一致性模型而言，CAP定理是没有意义的：在同一台计算机中，我们通常假定通信都是可靠的。并且我们并不指望一个CPU核能在脱离计算机其他部分的条件下继续正常工作。牺牲线性一致性的原因是**性能（performance）**，而不是容错。
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为什么要做这个权衡？对多核内存一致性模型而言，CAP定理是没有意义的：在同一台计算机中，我们通常假定通 信都是可靠的。并且我们并不指望一个CPU核能在脱离计算机其他部分的条件下继续正常工作。牺牲线性一致性的原因是**性能（performance）**，而不是容错。
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许多分布式数据库也是如此：它们是**为了提高性能**而选择了牺牲线性一致性，而不是为了容错【46】。线性一致的速度很慢——这始终是事实，而不仅仅是网络故障期间。
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许多分布式数据库也是如此：它们是**为了提高性能**而选择了牺牲线性一致性，而不是为了容错【46】。线性一致的速度很慢——这始终是事实，而不仅仅是网络故障期间。
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能找到一个更高效的线性一致存储实现吗？看起来答案是否定的：Attiya和Welch 【47】证明，如果你想要线性一致性，读写请求的响应时间至少与网络延迟的不确定性成正比。在像大多数计算机网络一样具有高度可变延迟的网络中（参见“[超时与无穷的延迟](ch8.md#超时与无穷的延迟)”），线性读写的响应时间不可避免地会很高。更快地线性一致算法不存在，但更弱的一致性模型可以快得多，所以对延迟敏感的系统而言，这类权衡非常重要。在[第12章](ch12.md)中将讨论一些在不牺牲正确性的前提下，绕开线性一致性的方法。
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能找到一个更高效的线性一致存储实现吗？看起来答案是否定的：Attiya和Welch 【47】证明，如果你想要线性一致性，读写请求的响应时间至少与网络延迟的不确定性成正比。在像大多数计算机网络一样具有高度可变延迟的网络中（参见“[超时与无穷的延迟](ch8.md#超时与无穷的延迟)”），线性读写的响应时间不可避免地会很高。更快地线性一致算法不存在，但更弱的一致性模型可以快得多，所以对延迟敏感的系统而言，这类权衡非常重要。在[第12章](ch12.md)中将讨论一些在不牺牲正确性的前提下，绕开线性一致性的方法。
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## 顺序保证
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之前说过，线性一致寄存器的行为就好像只有单个数据副本一样，且每个操作似乎都是在某个时间点以原子性的方式生效的。这个定义意味着操作是按照某种良好定义的顺序执行的。我们通过操作（似乎）执行完毕的顺序来连接操作，以此说明[图9-4](img/fig9-4.png)中的顺序。
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之前说过，线性一致寄存器的行为就好像只有单个数据副本一样，且每个操作似乎都是在某个时间点以原子性的方式生效的。这个定义意味着操作是按照某种良好定义的顺序执行的。我们通过操作（似乎）执行完毕的顺序来连接操作，以此说明[图9-4](img/fig9-4.png)中的顺序。
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**顺序（ordering）**这一主题在本书中反复出现，这表明它可能是一个重要的基础性概念。让我们简要回顾一下其它**顺序**曾经出现过的上下文：
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@ -340,72 +342,72 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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#### 因果顺序不是全序的
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**全序（total order）**允许任意两个元素进行比较，所以如果有两个元素，你总是可以说出哪个更大，哪个更小。例如，自然数集是全序的：给定两个自然数，比如说5和13，那么你可以告诉我，13大于5。
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**全序（total order）**允许任意两个元素进行比较，所以如果有两个元素，你总是可以说出哪个更大，哪个更小。例如，自然数集是全序的：给定两个自然数，比如说5和13，那么你可以告诉我，13大于5。
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然而数学集合并不完全是全序的：`{a, b}` 比 `{b, c}` 更大吗？好吧，你没法真正比较它们，因为二者都不是对方的子集。我们说它们是**无法比较（incomparable）**的，因此数学集合是**偏序（partially order）**的：在某些情况下，可以说一个集合大于另一个（如果一个集合包含另一个集合的所有元素），但在其他情况下它们是无法比较的[^译注i]。
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然而数学集合并不完全是全序的：`{a, b}` 比 `{b, c}` 更大吗？好吧，你没法真正比较它们，因为二者都不是对方的子集。我们说它们是**无法比较（incomparable）**的，因此数学集合是**偏序（partially order）**的：在某些情况下，可以说一个集合大于另一个（如果一个集合包含另一个集合的所有元素），但在其他情况下它们是无法比较的[^译注i]。
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[^译注i]: 设R为非空集合A上的关系，如果R是自反的、反对称的和可传递的，则称R为A上的偏序关系。简称偏序，通常记作≦。一个集合A与A上的偏序关系R一起叫作偏序集，记作$(A,R)$或$(A, ≦)$。全序、偏序、关系、集合，这些概念的精确定义可以参考任意一本离散数学教材。
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全序和偏序之间的差异反映在不同的数据库一致性模型中：
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全序和偏序之间的差异反映在不同的数据库一致性模型中：
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***线性一致性***
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在线性一致的系统中，操作是全序的：如果系统表现的就好像只有一个数据副本，并且所有操作都是原子性的，这意味着对任何两个操作，我们总是能判定哪个操作先发生。这个全序[图9-4](img/fig9-4.png)中以时间线表示。
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在线性一致的系统中，操作是全序的：如果系统表现的就好像只有一个数据副本，并且所有操作都是原子性的，这意味着对任何两个操作，我们总是能判定哪个操作先发生。这个全序[图9-4](img/fig9-4.png)中以时间线表示。
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***因果性***
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我们说过，如果两个操作都没有在彼此**之前发生**，那么这两个操作是并发的（参阅[“此前发生”的关系和并发](ch5.md#“此前发生”的关系和并发)）。换句话说，如果两个事件是因果相关的（一个发生在另一个事件之前），则它们之间是有序的，但如果它们是并发的，则它们之间的顺序是无法比较的。这意味着因果关系定义了一个偏序，而不是一个全序：一些操作相互之间是有顺序的，但有些则是无法比较的。
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我们说过，如果两个操作都没有在彼此**之前发生**，那么这两个操作是并发的（参阅[“此前发生”的关系和并发](ch5.md#“此前发生”的关系和并发)）。换句话说，如果两个事件是因果相关的（一个发生在另一个事件之前），则它们之间是有序的，但如果它们是并发的，则它们之间的顺序是无法比较的。这意味着因果关系定义了一个偏序，而不是一个全序：一些操作相互之间是有顺序的，但有些则是无法比较的。
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因此，根据这个定义，在线性一致的数据存储中是不存在并发操作的：必须有且仅有一条时间线，所有的操作都在这条时间线上，构成一个全序关系。可能有几个请求在等待处理，但是数据存储确保了每个请求都是在唯一时间线上的某个时间点自动处理的，不存在任何并发。
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因此，根据这个定义，在线性一致的数据存储中是不存在并发操作的：必须有且仅有一条时间线，所有的操作都在这条时间线上，构成一个全序关系。可能有几个请求在等待处理，但是数据存储确保了每个请求都是在唯一时间线上的某个时间点自动处理的，不存在任何并发。
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并发意味着时间线会分岔然后合并 —— 在这种情况下，不同分支上的操作是无法比较的（即并发操作）。在[第五章](ch5.md)中我们看到了这种现象：例如，[图5-14](img/fig5-14.md) 并不是一条直线的全序关系，而是一堆不同的操作并发进行。图中的箭头指明了因果依赖 —— 操作的偏序。
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并发意味着时间线会分岔然后合并 —— 在这种情况下，不同分支上的操作是无法比较的（即并发操作）。在[第五章](ch5.md)中我们看到了这种现象：例如，[图5-14](img/fig5-14.md) 并不是一条直线的全序关系，而是一堆不同的操作并发进行。图中的箭头指明了因果依赖 —— 操作的偏序。
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如果你熟悉像Git这样的分布式版本控制系统，那么其版本历史与因果关系图极其相似。通常，一个**提交（Commit）**发生在另一个提交之后，在一条直线上。但是有时你会遇到分支（当多个人同时在一个项目上工作时），**合并（Merge）**会在这些并发创建的提交相融合时创建。
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如果你熟悉像Git这样的分布式版本控制系统，那么其版本历史与因果关系图极其相似。通常，一个**提交（Commit）**发生在另一个提交之后，在一条直线上。但是有时你会遇到分支（当多个人同时在一个项目上工作时），**合并（Merge）**会在这些并发创建的提交相融合时创建。
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#### 线性一致性强于因果一致性
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那么因果顺序和线性一致性之间的关系是什么？答案是线性一致性**隐含着（implies）**因果关系：任何线性一致的系统都能正确保持因果性【7】。特别是，如果系统中有多个通信通道（如[图9-5](img/fig9-5.png) 中的消息队列和文件存储服务），线性一致性可以自动保证因果性，系统无需任何特殊操作（如在不同组件间传递时间戳）。
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那么因果顺序和线性一致性之间的关系是什么？答案是线性一致性**隐含着（implies）**因果关系：任何线性一致的系统都能正确保持因果性【7】。特别是，如果系统中有多个通信通道（如[图9-5](img/fig9-5.png) 中的消息队列和文件存储服务），线性一致性可以自动保证因果性，系统无需任何特殊操作（如在不同组件间传递时间戳）。
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线性一致性确保因果性的事实使线性一致系统变得简单易懂，更有吸引力。然而，正如“[线性一致性的代价](#线性一致性的代价)”中所讨论的，使系统线性一致可能会损害其性能和可用性，尤其是在系统具有严重的网络延迟的情况下（例如，如果系统在地理上散布）。出于这个原因，一些分布式数据系统已经放弃了线性一致性，从而获得更好的性能，但它们用起来也更为困难。
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线性一致性确保因果性的事实使线性一致系统变得简单易懂，更有吸引力。然而，正如“[线性一致性的代价](#线性一致性的代价)”中所讨论的，使系统线性一致可能会损害其性能和可用性，尤其是在系统具有严重的网络延迟的情况下（例如，如果系统在地理上散布）。出于这个原因，一些分布式数据系统已经放弃了线性一致性，从而获得更好的性能，但它们用起来也更为困难。
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好消息是存在折衷的可能性。线性一致性并不是保持因果性的唯一途径 —— 还有其他方法。一个系统可以是因果一致的，而无需承担线性一致带来的性能折损（尤其对于CAP定理不适用的情况）。实际上在所有的不会被网络延迟拖慢的一致性模型中，因果一致性是可行的最强的一致性模型。而且在网络故障时仍能保持可用【2,42】。
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好消息是存在折衷的可能性。线性一致性并不是保持因果性的唯一途径 —— 还有其他方法。一个系统可以是因果一致的，而无需承担线性一致带来的性能折损（尤其对于CAP定理不适用的情况）。实际上在所有的不会被网络延迟拖慢的一致性模型中，因果一致性是可行的最强的一致性模型。而且在网络故障时仍能保持可用【2,42】。
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在许多情况下，看上去需要线性一致性的系统，实际上需要的只是因果一致性，因果一致性可以更高效地实现。基于这种观察结果，研究人员正在探索新型的数据库，既能保证因果一致性，且性能与可用性与最终一致的系统类似【49,50,51】。
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在许多情况下，看上去需要线性一致性的系统，实际上需要的只是因果一致性，因果一致性可以更高效地实现。基于这种观察结果，研究人员正在探索新型的数据库，既能保证因果一致性，且性能与可用性与最终一致的系统类似【49,50,51】。
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这方面的研究相当新鲜，其中很多尚未应用到生产系统，仍然有不少挑战需要克服【52,53】。但对于未来的系统而言，这是一个有前景的方向。
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这方面的研究相当新鲜，其中很多尚未应用到生产系统，仍然有不少挑战需要克服【52,53】。但对于未来的系统而言，这是一个有前景的方向。
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#### 捕获因果关系
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我们不会在这里讨论非线性一致的系统如何保证因果性的细节，而只是简要地探讨一些关键的思想。
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我们不会在这里讨论非线性一致的系统如何保证因果性的细节，而只是简要地探讨一些关键的思想。
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为了维持因果性，你需要知道哪个操作发生在哪个其他操作之前（**happened before**）。这是一个偏序：并发操作可以以任意顺序进行，但如果一个操作发生在另一个操作之前，那它们必须在所有副本上以那个顺序被处理。因此，当一个副本处理一个操作时，它必须确保所有因果前驱的操作（之前发生的所有操作）已经被处理；如果前面的某个操作丢失了，后面的操作必须等待，直到前面的操作被处理完毕。
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为了维持因果性，你需要知道哪个操作发生在哪个其他操作之前（**happened before**）。这是一个偏序：并发操作可以以任意顺序进行，但如果一个操作发生在另一个操作之前，那它们必须在所有副本上以那个顺序被处理。因此，当一个副本处理一个操作时，它必须确保所有因果前驱的操作（之前发生的所有操作）已经被处理；如果前面的某个操作丢失了，后面的操作必须等待，直到前面的操作被处理完毕。
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为了确定因果依赖，我们需要一些方法来描述系统中节点的“知识”。如果节点在发出写入Y 的请求时已经看到了 X的值，则 X 和 Y 可能存在因果关系。这个分析使用了那些在欺诈指控刑事调查中常见的问题：CEO在做出决定 Y 时是否**知道** X ？
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为了确定因果依赖，我们需要一些方法来描述系统中节点的“知识”。如果节点在发出写入Y 的请求时已经看到了 X的值，则 X 和 Y 可能存在因果关系。这个分析使用了那些在欺诈指控刑事调查中常见的问题：CEO在做出决定 Y 时是否**知道** X ？
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用于确定*哪些操作发生在其他操作之前* 的技术，与我们在“[检测并发写入](ch5.md#检测并发写入)”中所讨论的内容类似。那一节讨论了无领导者数据存储中的因果性：为了防止丢失更新，我们需要检测到对同一个键的并发写入。因果一致性则更进一步：它需要跟踪整个数据库中的因果依赖，而不仅仅是一个键。可以推广版本向量以解决此类问题【54】。
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用于确定*哪些操作发生在其他操作之前* 的技术，与我们在“[检测并发写入](ch5.md#检测并发写入)”中所讨论的内容类似。那一节讨论了无领导者数据存储中的因果性：为了防止丢失更新，我们需要检测到对同一个键的并发写入。因果一致性则更进一步：它需要跟踪整个数据库中的因果依赖，而不仅仅是一个键。可以推广版本向量以解决此类问题【54】。
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为了确定因果顺序，数据库需要知道应用读取了哪个版本的数据。这就是为什么在 [图5-13 ](img/fig5-13.png)中，来自先前操作的版本号在写入时被传回到数据库的原因。在SSI 的冲突检测中会出现类似的想法，如“[可序列化的快照隔离（SSI）]()”中所述：当事务要提交时，数据库将检查它所读取的数据版本是否仍然是最新的。为此，数据库跟踪哪些数据被哪些事务所读取。
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为了确定因果顺序，数据库需要知道应用读取了哪个版本的数据。这就是为什么在 [图5-13 ](img/fig5-13.png)中，来自先前操作的版本号在写入时被传回到数据库的原因。在SSI 的冲突检测中会出现类似的想法，如“[可序列化的快照隔离（SSI）]()”中所述：当事务要提交时，数据库将检查它所读取的数据版本是否仍然是最新的。为此，数据库跟踪哪些数据被哪些事务所读取。
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### 序列号顺序
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虽然因果是一个重要的理论概念，但实际上跟踪所有的因果关系是不切实际的。在许多应用中，客户端在写入内容之前会先读取大量数据，我们无法弄清写入因果依赖于先前全部的读取内容，还是仅包括其中一部分。显式跟踪所有已读数据意味着巨大的额外开销。
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虽然因果是一个重要的理论概念，但实际上跟踪所有的因果关系是不切实际的。在许多应用中，客户端在写入内容之前会先读取大量数据，我们无法弄清写入因果依赖于先前全部的读取内容，还是仅包括其中一部分。显式跟踪所有已读数据意味着巨大的额外开销。
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但还有一个更好的方法：我们可以使用**序列号（sequence nunber）**或**时间戳（timestamp）**来排序事件。时间戳不一定来自时钟（或物理时钟，存在许多问题，如 “[不可靠时钟](ch8.md#不可靠的时钟)” 中所述）。它可以来自一个**逻辑时钟（logical clock）**，这是一个用来生成标识操作的数字序列的算法，典型实现是使用一个每次操作自增的计数器。
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但还有一个更好的方法：我们可以使用**序列号（sequence nunber）**或**时间戳（timestamp）**来排序事件。时间戳不一定来自时钟（或物理时钟，存在许多问题，如 “[不可靠时钟](ch8.md#不可靠的时钟)” 中所述）。它可以来自一个**逻辑时钟（logical clock）**，这是一个用来生成标识操作的数字序列的算法，典型实现是使用一个每次操作自增的计数器。
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这样的序列号或时间戳是紧凑的（只有几个字节大小），它提供了一个全序关系：也就是说每操作都有一个唯一的序列号，而且总是可以比较两个序列号，确定哪一个更大（即哪些操作后发生）。
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这样的序列号或时间戳是紧凑的（只有几个字节大小），它提供了一个全序关系：也就是说每操作都有一个唯一的序列号，而且总是可以比较两个序列号，确定哪一个更大（即哪些操作后发生）。
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特别是，我们可以使用**与因果一致（consistent with causality）**的全序来生成序列号[^vii]：我们保证，如果操作 A 因果后继于操作 B，那么在这个全序中 A 在 B 前（ A 具有比 B 更小的序列号）。并行操作之间可以任意排序。这样一个全序关系捕获了所有关于因果的信息，但也施加了一个比因果性要求更为严格的顺序。
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特别是，我们可以使用**与因果一致（consistent with causality）**的全序来生成序列号[^vii]：我们保证，如果操作 A 因果后继于操作 B，那么在这个全序中 A 在 B 前（ A 具有比 B 更小的序列号）。并行操作之间可以任意排序。这样一个全序关系捕获了所有关于因果的信息，但也施加了一个比因果性要求更为严格的顺序。
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[^vii]: 与因果关系不一致的全序很容易创建，但没啥用。例如你可以为每个操作生成随机的UUID，并按照字典序比较UUID，以定义操作的全序。这是一个有效的全序，但是随机的UUID并不能告诉你哪个操作先发生，或者操作是否为并发的。
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在单主复制的数据库中（参见“[领导者与追随者](ch5.md#领导者与追随者)”），复制日志定义了与因果一致的写操作。主库可以简单地为每个操作自增一个计数器，从而为复制日志中的每个操作分配一个单调递增的序列号。如果一个从库按照它们在复制日志中出现的顺序来应用写操作，那么从库的状态始终是因果一致的（即使它落后于领导者）。
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在单主复制的数据库中（参见“[领导者与追随者](ch5.md#领导者与追随者)”），复制日志定义了与因果一致的写操作。主库可以简单地为每个操作自增一个计数器，从而为复制日志中的每个操作分配一个单调递增的序列号。如果一个从库按照它们在复制日志中出现的顺序来应用写操作，那么从库的状态始终是因果一致的（即使它落后于领导者）。
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#### 非因果序列号生成器
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如果主库不存在（可能因为使用了多主数据库或无主数据库，或者因为使用了分区的数据库），如何为操作生成序列号就没有那么明显了。在实践中有各种各样的方法：
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如果主库不存在（可能因为使用了多主数据库或无主数据库，或者因为使用了分区的数据库），如何为操作生成序列号就没有那么明显了。在实践中有各种各样的方法：
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* 每个节点都可以生成自己独立的一组序列号。例如有两个节点，一个节点只能生成奇数，而另一个节点只能生成偶数。通常，可以在序列号的二进制表示中预留一些位，用于唯一的节点标识符，这样可以确保两个不同的节点永远不会生成相同的序列号。
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* 可以将时钟（物理时钟）时间戳附加到每个操作上【55】。这种时间戳并不连续，但是如果它具有足够高的分辨率，那也许足以提供一个操作的全序关系。这一事实应用于 *最后写入为准* 的冲突解决方法中（参阅“[有序事件的时间戳](ch8.md#有序事件的时间戳)”）。
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@ -427,48 +429,48 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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#### 兰伯特时间戳
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尽管刚才描述的三个序列号生成器与因果不一致，但实际上有一个简单的方法来产生与因果关系一致的序列号。它被称为兰伯特时间戳，莱斯利·兰伯特（Leslie Lamport）于1978年提出【56】，现在是分布式系统领域中被引用最多的论文之一。
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尽管刚才描述的三个序列号生成器与因果不一致，但实际上有一个简单的方法来产生与因果关系一致的序列号。它被称为兰伯特时间戳，莱斯利·兰伯特（Leslie Lamport）于1978年提出【56】，现在是分布式系统领域中被引用最多的论文之一。
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[图9-8](img/fig9-8.png) 说明了兰伯特时间戳的应用。每个节点都有一个唯一标识符，和一个保存自己执行操作数量的计数器。 兰伯特时间戳就是两者的简单组合：（计数器，节点ID）$(counter, node ID)$。两个节点有时可能具有相同的计数器值，但通过在时间戳中包含节点ID，每个时间戳都是唯一的。
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[图9-8](img/fig9-8.png) 说明了兰伯特时间戳的应用。每个节点都有一个唯一标识符，和一个保存自己执行操作数量的计数器。 兰伯特时间戳就是两者的简单组合：（计数器，节点ID）$(counter, node ID)$。两个节点有时可能具有相同的计数器值，但通过在时间戳中包含节点ID，每个时间戳都是唯一的。
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**图9-8 Lamport时间戳提供了与因果关系一致的总排序。**
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兰伯特时间戳与物理时间时钟没有任何关系，但是它提供了一个全序：如果你有两个时间戳，则**计数器**值大者是更大的时间戳。如果计数器值相同，则节点ID越大的，时间戳越大。
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兰伯特时间戳与物理时间时钟没有任何关系，但是它提供了一个全序：如果你有两个时间戳，则**计数器**值大者是更大的时间戳。如果计数器值相同，则节点ID越大的，时间戳越大。
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迄今，这个描述与上节所述的奇偶计数器基本类似。使兰伯特时间戳因果一致的关键思想如下所示：每个节点和每个客户端跟踪迄今为止所见到的最大**计数器**值，并在每个请求中包含这个最大计数器值。当一个节点收到最大计数器值大于自身计数器值的请求或响应时，它立即将自己的计数器设置为这个最大值。
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迄今，这个描述与上节所述的奇偶计数器基本类似。使兰伯特时间戳因果一致的关键思想如下所示：每个节点和每个客户端跟踪迄今为止所见到的最大**计数器**值，并在每个请求中包含这个最大计数器值。当一个节点收到最大计数器值大于自身计数器值的请求或响应时，它立即将自己的计数器设置为这个最大值。
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这如 [图9-8](img/fig9-8.png) 所示，其中客户端 A 从节点2 接收计数器值 `5` ，然后将最大值 `5` 发送到节点1 。此时，节点1 的计数器仅为 `1` ，但是它立即前移至 `5` ，所以下一个操作的计数器的值为 `6` 。
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这如 [图9-8](img/fig9-8.png) 所示，其中客户端 A 从节点2 接收计数器值 `5` ，然后将最大值 `5` 发送到节点1 。此时，节点1 的计数器仅为 `1` ，但是它立即前移至 `5` ，所以下一个操作的计数器的值为 `6` 。
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只要每一个操作都携带着最大计数器值，这个方案确保兰伯特时间戳的排序与因果一致，因为每个因果依赖都会导致时间戳增长。
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只要每一个操作都携带着最大计数器值，这个方案确保兰伯特时间戳的排序与因果一致，因为每个因果依赖都会导致时间戳增长。
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兰伯特时间戳有时会与我们在 “[检测并发写入](ch5.md#检测并发写入)” 中看到的版本向量相混淆。虽然两者有一些相似之处，但它们有着不同的目的：版本向量可以区分两个操作是并发的，还是一个因果依赖另一个；而兰伯特时间戳总是施行一个全序。从兰伯特时间戳的全序中，你无法分辨两个操作是并发的还是因果依赖的。 兰伯特时间戳优于版本向量的地方是，它更加紧凑。
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兰伯特时间戳有时会与我们在 “[检测并发写入](ch5.md#检测并发写入)” 中看到的版本向量相混淆。虽然两者有一些相似之处，但它们有着不同的目的：版本向量可以区分两个操作是并发的，还是一个因果依赖另一个；而兰伯特时间戳总是施行一个全序。从兰伯特时间戳的全序中，你无法分辨两个操作是并发的还是因果依赖的。 兰伯特时间戳优于版本向量的地方是，它更加紧凑。
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#### 光有时间戳排序还不够
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虽然兰伯特时间戳定义了一个与因果一致的全序，但它还不足以解决分布式系统中的许多常见问题。
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虽然兰伯特时间戳定义了一个与因果一致的全序，但它还不足以解决分布式系统中的许多常见问题。
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例如，考虑一个需要确保用户名能唯一标识用户帐户的系统。如果两个用户同时尝试使用相同的用户名创建帐户，则其中一个应该成功，另一个应该失败。 （我们之前在“[领导者与锁定](ch8.md#领导者与锁定)”中提到过这个问题。）
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例如，考虑一个需要确保用户名能唯一标识用户帐户的系统。如果两个用户同时尝试使用相同的用户名创建帐户，则其中一个应该成功，另一个应该失败。 （我们之前在“[领导者与锁定](ch8.md#领导者与锁定)”中提到过这个问题。）
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乍看之下，似乎操作的全序关系足以解决这一问题（例如使用兰伯特时间戳）：如果创建了两个具有相同用户名的帐户，选择时间戳较小的那个作为胜者（第一个抓到用户名的人），并让带有更大时间戳者失败。由于时间戳上有全序关系，所以这个比较总是可行的。
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乍看之下，似乎操作的全序关系足以解决这一问题（例如使用兰伯特时间戳）：如果创建了两个具有相同用户名的帐户，选择时间戳较小的那个作为胜者（第一个抓到用户名的人），并让带有更大时间戳者失败。由于时间戳上有全序关系，所以这个比较总是可行的。
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这种方法适用于事后确定胜利者：一旦你收集了系统中的所有用户名创建操作，就可以比较它们的时间戳。然而当某个节点需要实时处理用户创建用户名的请求时，这样的方法就无法满足了。节点需要**马上（right now）**决定这个请求是成功还是失败。在那个时刻，节点并不知道是否存其他节点正在并发执行创建同样用户名的操作，罔论其它节点可能分配给那个操作的时间戳。
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这种方法适用于事后确定胜利者：一旦你收集了系统中的所有用户名创建操作，就可以比较它们的时间戳。然而当某个节点需要实时处理用户创建用户名的请求时，这样的方法就无法满足了。节点需要**马上（right now）**决定这个请求是成功还是失败。在那个时刻，节点并不知道是否存其他节点正在并发执行创建同样用户名的操作，罔论其它节点可能分配给那个操作的时间戳。
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为了确保没有其他节点正在使用相同的用户名和较小的时间戳并发创建同名账户，你必须检查其它每个节点，看看它在做什么【56】。如果其中一个节点由于网络问题出现故障或不可达，则整个系统可能被拖至停机。这不是我们需要的那种容错系统。
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为了确保没有其他节点正在使用相同的用户名和较小的时间戳并发创建同名账户，你必须检查其它每个节点，看看它在做什么【56】。如果其中一个节点由于网络问题出现故障或不可达，则整个系统可能被拖至停机。这不是我们需要的那种容错系统。
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这里的问题是，只有在所有的操作都被收集之后，操作的全序才会出现。如果另一个节点已经产生了一些操作，但你还不知道那些操作是什么，那就无法构造所有操作最终的全序关系：来自另一个节点的未知操作可能需要被插入到全序中的不同位置。
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这里的问题是，只有在所有的操作都被收集之后，操作的全序才会出现。如果另一个节点已经产生了一些操作，但你还不知道那些操作是什么，那就无法构造所有操作最终的全序关系：来自另一个节点的未知操作可能需要被插入到全序中的不同位置。
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总之：为了实诸如如用户名上的唯一约束这种东西，仅有操作的全序是不够的，你还需要知道这个全序何时会尘埃落定。如果你有一个创建用户名的操作，并且确定在全序中，没有任何其他节点可以在你的操作之前插入对同一用户名的声称，那么你就可以安全地宣告操作执行成功。
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总之：为了实诸如如用户名上的唯一约束这种东西，仅有操作的全序是不够的，你还需要知道这个全序何时会尘埃落定。如果你有一个创建用户名的操作，并且确定在全序中，没有任何其他节点可以在你的操作之前插入对同一用户名的声称，那么你就可以安全地宣告操作执行成功。
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如何知道你的全序关系已经尘埃落定，这个想法将在[全序广播](#全序广播)一节中详细说明。
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如何知道你的全序关系已经尘埃落定，这个想法将在[全序广播](#全序广播)一节中详细说明。
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### 全序广播
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如果你的程序只运行在单个CPU核上，那么定义一个操作全序是很容易的：可以简单地就是CPU执行这些操作的顺序。但是在分布式系统中，让所有节点对同一个全局操作顺序达成一致可能相当棘手。在上一节中，我们讨论了按时间戳或序列号进行排序，但发现它还不如单主复制给力（如果你使用时间戳排序来实现唯一性约束，而且不能容忍任何错误）。
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如果你的程序只运行在单个CPU核上，那么定义一个操作全序是很容易的：可以简单地就是CPU执行这些操作的顺序。但是在分布式系统中，让所有节点对同一个全局操作顺序达成一致可能相当棘手。在上一节中，我们讨论了按时间戳或序列号进行排序，但发现它还不如单主复制给力（如果你使用时间戳排序来实现唯一性约束，而且不能容忍任何错误）。
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如前所述，单主复制通过选择一个节点作为主库来确定操作的全序，并在主库的单个CPU核上对所有操作进行排序。接下来的挑战是，如果吞吐量超出单个主库的处理能力，这种情况下如何扩展系统；以及，如果主库失效（“[处理节点宕机](#处理节点宕机)”），如何处理故障转移。在分布式系统文献中，这个问题被称为**全序广播（total order broadcast）**或**原子广播（atomic broadcast）**[^ix]【25,57,58】。
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如前所述，单主复制通过选择一个节点作为主库来确定操作的全序，并在主库的单个CPU核上对所有操作进行排序。接下来的挑战是，如果吞吐量超出单个主库的处理能力，这种情况下如何扩展系统；以及，如果主库失效（“[处理节点宕机](#处理节点宕机)”），如何处理故障转移。在分布式系统文献中，这个问题被称为**全序广播（total order broadcast）**或**原子广播（atomic broadcast）**[^ix]【25,57,58】。
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[^ix]: “原子广播”是一个传统的术语，非常混乱，而且与“原子”一词的其他用法不一致：它与ACID事务中的原子性没有任何关系，只是与原子操作（在多线程编程的意义上 ）或原子寄存器（线性一致存储）有间接的联系。全序广播是另一个同义词。
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@ -490,29 +492,29 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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#### 使用全序广播
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像ZooKeeper和etcd这样的共识服务实际上实现了全序广播。这一事实暗示了全序广播与共识之间有着紧密联系，我们将在本章稍后进行探讨。
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像ZooKeeper和etcd这样的共识服务实际上实现了全序广播。这一事实暗示了全序广播与共识之间有着紧密联系，我们将在本章稍后进行探讨。
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全序广播正是数据库复制所需的：如果每个消息都代表一次数据库的写入，且每个副本都按相同的顺序处理相同的写入，那么副本间将相互保持一致（除了临时的复制延迟）。这个原理被称为**状态机复制（state machine replication）**【60】，我们将在[第11章](ch11.md)中重新回到这个概念。
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全序广播正是数据库复制所需的：如果每个消息都代表一次数据库的写入，且每个副本都按相同的顺序处理相同的写入，那么副本间将相互保持一致（除了临时的复制延迟）。这个原理被称为**状态机复制（state machine replication）**【60】，我们将在[第11章](ch11.md)中重新回到这个概念。
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与之类似，可以使用全序广播来实现可序列化的事务：如“[真的串行执行](ch7.md#真的串行执行)”中所述，如果每个消息都表示一个确定性事务，以存储过程的形式来执行，且每个节点都以相同的顺序处理这些消息，那么数据库的分区和副本就可以相互保持一致【61】。
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与之类似，可以使用全序广播来实现可序列化的事务：如“[真的串行执行](ch7.md#真的串行执行)”中所述，如果每个消息都表示一个确定性事务，以存储过程的形式来执行，且每个节点都以相同的顺序处理这些消息，那么数据库的分区和副本就可以相互保持一致【61】。
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全序广播的一个重要表现是，顺序在消息送达时被固化：如果后续的消息已经送达，节点就不允许追溯地将（先前）消息插入顺序中的较早位置。这个事实使得全序广播比时间戳命令更强。
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全序广播的一个重要表现是，顺序在消息送达时被固化：如果后续的消息已经送达，节点就不允许追溯地将（先前）消息插入顺序中的较早位置。这个事实使得全序广播比时间戳命令更强。
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考量全序广播的另一种方式是，这是一种创建日志的方式（如在复制日志，事务日志或预写式日志中）：传递消息就像附加写入日志。由于所有节点必须以相同的顺序传递相同的消息，因此所有节点都可以读取日志，并看到相同的消息序列。
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考量全序广播的另一种方式是，这是一种创建日志的方式（如在复制日志，事务日志或预写式日志中）：传递消息就像附加写入日志。由于所有节点必须以相同的顺序传递相同的消息，因此所有节点都可以读取日志，并看到相同的消息序列。
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全序广播对于实现提供防护令牌的锁服务也很有用（参见“[防护令牌](ch8.md#防护令牌)”）。每个获取锁的请求都作为一条消息追加到日志末尾，并且所有的消息都按它们在日志中出现的顺序依次编号。序列号可以当成防护令牌用，因为它是单调递增的。在ZooKeeper中，这个序列号被称为`zxid` 【15】。
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全序广播对于实现提供防护令牌的锁服务也很有用（参见“[防护令牌](ch8.md#防护令牌)”）。每个获取锁的请求都作为一条消息追加到日志末尾，并且所有的消息都按它们在日志中出现的顺序依次编号。序列号可以当成防护令牌用，因为它是单调递增的。在ZooKeeper中，这个序列号被称为`zxid` 【15】。
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#### 使用全序广播实现线性一致的存储
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如 [图9-4](img/fig9-4.png) 所示，在线性一致的系统中，存在操作的全序。这是否意味着线性一致与全序广播一样？不尽然，但两者之间有者密切的联系[^x]。
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如 [图9-4](img/fig9-4.png) 所示，在线性一致的系统中，存在操作的全序。这是否意味着线性一致与全序广播一样？不尽然，但两者之间有者密切的联系[^x]。
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[^x]: 从形式上讲，线性一致读写寄存器是一个“更容易”的问题。 全序广播等价于共识【67】，而共识问题在异步的崩溃-停止模型【68】中没有确定性的解决方案，而线性一致的读写寄存器**可以**在这种模型中实现【23,24,25】。 然而，支持诸如**比较并设置（CAS, compare-and-set）**，或**自增并返回（increment-and-get）**的原子操作使它等价于共识问题【28】。 因此，共识问题与线性一致寄存器问题密切相关。
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全序广播是异步的：消息被保证以固定的顺序可靠地传送，但是不能保证消息**何时**被送达（所以一个接收者可能落后于其他接收者）。相比之下，线性一致性是新鲜性的保证：读取一定能看见最新的写入值。
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全序广播是异步的：消息被保证以固定的顺序可靠地传送，但是不能保证消息**何时**被送达（所以一个接收者可能落后于其他接收者）。相比之下，线性一致性是新鲜性的保证：读取一定能看见最新的写入值。
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但如果有了全序广播，你就可以在此基础上构建线性一致的存储。例如，你可以确保用户名能唯一标识用户帐户。
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但如果有了全序广播，你就可以在此基础上构建线性一致的存储。例如，你可以确保用户名能唯一标识用户帐户。
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设想对于每一个可能的用户名，你都可以有一个带有CAS原子操作的线性一致寄存器。每个寄存器最初的值为空值（表示不使用用户名）。当用户想要创建一个用户名时，对该用户名的寄存器执行CAS操作，在先前寄存器值为空的条件，将其值设置为用户的账号ID。如果多个用户试图同时获取相同的用户名，则只有一个CAS操作会成功，因为其他用户会看到非空的值（由于线性一致性）。
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设想对于每一个可能的用户名，你都可以有一个带有CAS原子操作的线性一致寄存器。每个寄存器最初的值为空值（表示不使用用户名）。当用户想要创建一个用户名时，对该用户名的寄存器执行CAS操作，在先前寄存器值为空的条件，将其值设置为用户的账号ID。如果多个用户试图同时获取相同的用户名，则只有一个CAS操作会成功，因为其他用户会看到非空的值（由于线性一致性）。
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你可以通过将全序广播当成仅追加日志【62,63】的方式来实现这种线性一致的CAS操作：
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@ -522,9 +524,9 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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[^xi]: 如果你不等待，而是在消息入队之后立即确认写入，则会得到类似于多核x86处理器内存的一致性模型【43】。 该模型既不是线性一致的也不是顺序一致的。
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由于日志项是以相同顺序送达至所有节点，因此如果有多个并发写入，则所有节点会对最先到达者达成一致。选择冲突写入中的第一个作为胜利者，并中止后来者，以此确定所有节点对某个写入是提交还是中止达成一致。类似的方法可以在一个日志的基础上实现可序列化的多对象事务【62】。
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由于日志项是以相同顺序送达至所有节点，因此如果有多个并发写入，则所有节点会对最先到达者达成一致。选择冲突写入中的第一个作为胜利者，并中止后来者，以此确定所有节点对某个写入是提交还是中止达成一致。类似的方法可以在一个日志的基础上实现可序列化的多对象事务【62】。
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尽管这一过程保证写入是线性一致的，但它并不保证读取也是线性一致的 —— 如果你从与日志异步更新的存储中读取数据，结果可能是陈旧的。 （精确地说，这里描述的过程提供了**顺序一致性（sequential consistency）**【47,64】，有时也称为**时间线一致性（timeline consistency）**【65,66】，比线性一致性稍微弱一些的保证）。为了使读取也线性一致，有几个选项：
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尽管这一过程保证写入是线性一致的，但它并不保证读取也是线性一致的 —— 如果你从与日志异步更新的存储中读取数据，结果可能是陈旧的。 （精确地说，这里描述的过程提供了**顺序一致性（sequential consistency）**【47,64】，有时也称为**时间线一致性（timeline consistency）**【65,66】，比线性一致性稍微弱一些的保证）。为了使读取也线性一致，有几个选项：
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* 你可以通过追加一条消息，当消息回送时读取日志，执行实际的读取。消息在日志中的位置因此定义了读取发生的时间点。 （etcd的法定人数读取有些类似这种情况【16】。）
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* 如果日志允许以线性一致的方式获取最新日志消息的位置，则可以查询该位置，等待直到该位置前的所有消息都传达到你，然后执行读取。 （这是Zookeeper `sync()` 操作背后的思想【15】）。
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@ -532,17 +534,17 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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#### 使用线性一致性存储实现全序广播
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上一节介绍了如何从全序广播构建一个线性一致的CAS操作。我们也可以把它反过来，假设我们有线性一致的存储，接下来会展示如何在此基础上构建全序广播。
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上一节介绍了如何从全序广播构建一个线性一致的CAS操作。我们也可以把它反过来，假设我们有线性一致的存储，接下来会展示如何在此基础上构建全序广播。
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最简单的方法是假设你有一个线性一致的寄存器来存储一个整数，并且有一个原子**自增并返回**操作【28】。或者原子CAS操作也可以完成这项工作。
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最简单的方法是假设你有一个线性一致的寄存器来存储一个整数，并且有一个原子**自增并返回**操作【28】。或者原子CAS操作也可以完成这项工作。
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该算法很简单：每个要通过全序广播发送的消息首先对线性一致寄存器执行**自增并返回**操作。然后将从寄存器获得的值作为序列号附加到消息中。然后你可以将消息发送到所有节点（重新发送任何丢失的消息），而收件人将按序列号连续发送消息。
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该算法很简单：每个要通过全序广播发送的消息首先对线性一致寄存器执行**自增并返回**操作。然后将从寄存器获得的值作为序列号附加到消息中。然后你可以将消息发送到所有节点（重新发送任何丢失的消息），而收件人将按序列号连续发送消息。
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请注意，与兰伯特时间戳不同，通过自增线性一致性寄存器获得的数字形式上是一个没有间隙的序列。因此，如果一个节点已经发送了消息 4 并且接收到序列号为 6 的传入消息，则它知道它在传递消息 6 之前必须等待消息 5 。兰伯特时间戳则与之不同 —— 事实上，这是全序广播和时间戳排序间的关键区别。
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请注意，与兰伯特时间戳不同，通过自增线性一致性寄存器获得的数字形式上是一个没有间隙的序列。因此，如果一个节点已经发送了消息 4 并且接收到序列号为 6 的传入消息，则它知道它在传递消息 6 之前必须等待消息 5 。兰伯特时间戳则与之不同 —— 事实上，这是全序广播和时间戳排序间的关键区别。
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实现一个带有原子性**自增并返回**操作的线性一致寄存器有多困难？像往常一样，如果事情从来不出差错，那很容易：你可以简单地把它保存在单个节点内的变量中。问题在于处理当该节点的网络连接中断时的情况，并在该节点失效时能恢复这个值【59】。一般来说，如果你对线性一致性的序列号生成器进行深入过足够深入的思考，你不可避免地会得出一个共识算法。
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实现一个带有原子性**自增并返回**操作的线性一致寄存器有多困难？像往常一样，如果事情从来不出差错，那很容易：你可以简单地把它保存在单个节点内的变量中。问题在于处理当该节点的网络连接中断时的情况，并在该节点失效时能恢复这个值【59】。一般来说，如果你对线性一致性的序列号生成器进行深入过足够深入的思考，你不可避免地会得出一个共识算法。
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这并非巧合：可以证明，线性一致的CAS（或自增并返回）寄存器与全序广播都都等价于**共识**问题【28,67】。也就是说，如果你能解决其中的一个问题，你可以把它转化成为其他问题的解决方案。这是相当深刻和令人惊讶的洞察！
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这并非巧合：可以证明，线性一致的CAS（或自增并返回）寄存器与全序广播都都等价于**共识**问题【28,67】。也就是说，如果你能解决其中的一个问题，你可以把它转化成为其他问题的解决方案。这是相当深刻和令人惊讶的洞察！
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现在是时候正面处理共识问题了，我们将在本章的其余部分进行讨论。
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@ -550,9 +552,9 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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## 分布式事务与共识
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**共识**是分布式计算中最重要也是最基本的问题之一。从表面上看似乎很简单：非正式地讲，目标只是**让几个节点达成一致（get serveral nodes to agree on something）**。你也许会认为这不会太难。不幸的是，许多出故障的系统都是因为错误地轻信这个问题很容易解决。
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**共识**是分布式计算中最重要也是最基本的问题之一。从表面上看似乎很简单：非正式地讲，目标只是**让几个节点达成一致（get serveral nodes to agree on something）**。你也许会认为这不会太难。不幸的是，许多出故障的系统都是因为错误地轻信这个问题很容易解决。
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尽管共识非常重要，但关于它的内容出现在本书的后半部分，因为这个主题非常微妙，欣赏细微之处需要一些必要的知识。即使在学术界，对共识的理解也是在几十年的过程中逐渐沉淀而来，一路上也有着许多误解。现在我们已经讨论了复制（[第5章](ch5.md)），事务（[第7章](ch7.md)），系统模型（[第8章](ch8.md)），线性一致以及全序（[本章](ch9.md)），我们终于准备好解决共识问题了。
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尽管共识非常重要，但关于它的内容出现在本书的后半部分，因为这个主题非常微妙，欣赏细微之处需要一些必要的知识。即使在学术界，对共识的理解也是在几十年的过程中逐渐沉淀而来，一路上也有着许多误解。现在我们已经讨论了复制（[第5章](ch5.md)），事务（[第7章](ch7.md)），系统模型（[第8章](ch8.md)），线性一致以及全序（[本章](ch9.md)），我们终于准备好解决共识问题了。
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节点能达成一致，在很多场景下都非常重要，例如：
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@ -562,7 +564,7 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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***原子提交***
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在支持跨多节点或跨多分区事务的数据库中，一个事务可能在某些节点上失败，但在其他节点上成功。如果我们想要维护事务的原子性（就ACID而言，请参“[原子性](ch7.md#原子性)”），我们必须让所有节点对事务的结果达成一致：要么全部中止/回滚（如果出现任何错误），要么它们全部提交（如果没有出错）。这个共识的例子被称为**原子提交（atomic commit）**问题[^xii]。
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在支持跨多节点或跨多分区事务的数据库中，一个事务可能在某些节点上失败，但在其他节点上成功。如果我们想要维护事务的原子性（就ACID而言，请参“[原子性](ch7.md#原子性)”），我们必须让所有节点对事务的结果达成一致：要么全部中止/回滚（如果出现任何错误），要么它们全部提交（如果没有出错）。这个共识的例子被称为**原子提交（atomic commit）**问题[^xii]。
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[^xii]: 原子提交的形式化与共识稍有不同：原子事务只有在**所有**参与者投票提交的情况下才能提交，如果有任何参与者需要中止，则必须中止。 共识则允许就**任意一个**被参与者提出的候选值达成一致。 然而，原子提交和共识可以相互简化为对方【70,71】。 **非阻塞**原子提交则要比共识更为困难 —— 参阅“[三阶段提交](#三阶段提交)”。
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@ -575,27 +577,27 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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> 因此，FLP是关于共识不可能性的重要理论结果，但现实中的分布式系统通常是可以达成共识的。
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在本节中，我们将首先更详细地研究**原子提交**问题。具体来说，我们将讨论**两阶段提交（2PC, two-phase commit）**算法，这是解决原子提交问题最常见的办法，并在各种数据库、消息队列和应用服务器中实现。事实证明2PC是一种共识算法，但不是一个非常好的算法【70,71】。
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在本节中，我们将首先更详细地研究**原子提交**问题。具体来说，我们将讨论**两阶段提交（2PC, two-phase commit）**算法，这是解决原子提交问题最常见的办法，并在各种数据库、消息队列和应用服务器中实现。事实证明2PC是一种共识算法，但不是一个非常好的算法【70,71】。
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通过对2PC的学习，我们将继续努力实现更好的一致性算法，比如ZooKeeper（Zab）和etcd（Raft）中使用的算法。
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通过对2PC的学习，我们将继续努力实现更好的一致性算法，比如ZooKeeper（Zab）和etcd（Raft）中使用的算法。
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### 原子提交与二阶段提交（2PC）
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在[第7章](ch7.md)中我们了解到，事务原子性的目的是在多次写操作中途出错的情况下，提供一种简单的语义。事务的结果要么是成功提交，在这种情况下，事务的所有写入都是持久化的；要么是中止，在这种情况下，事务的所有写入都被回滚（即撤消或丢弃）。
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在[第7章](ch7.md)中我们了解到，事务原子性的目的是在多次写操作中途出错的情况下，提供一种简单的语义。事务的结果要么是成功提交，在这种情况下，事务的所有写入都是持久化的；要么是中止，在这种情况下，事务的所有写入都被回滚（即撤消或丢弃）。
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原子性可以防止失败的事务搅乱数据库，避免数据库陷入半成品结果和半更新状态。这对于多对象事务（参阅“[单对象和多对象操作](ch7.md#单对象和多对象操作)”）和维护次级索引的数据库尤其重要。每个辅助索引都是与主数据相分离的数据结构—— 因此，如果你修改了一些数据，则还需要在辅助索引中进行相应的更改。原子性确保二级索引与主数据保持一致（如果索引与主数据不一致，就没什么用了）。
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原子性可以防止失败的事务搅乱数据库，避免数据库陷入半成品结果和半更新状态。这对于多对象事务（参阅“[单对象和多对象操作](ch7.md#单对象和多对象操作)”）和维护次级索引的数据库尤其重要。每个辅助索引都是与主数据相分离的数据结构—— 因此，如果你修改了一些数据，则还需要在辅助索引中进行相应的更改。原子性确保二级索引与主数据保持一致（如果索引与主数据不一致，就没什么用了）。
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#### 从单节点到分布式原子提交
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对于在单个数据库节点执行的事务，原子性通常由存储引擎实现。当客户端请求数据库节点提交事务时，数据库将使事务的写入持久化（通常在预写式日志中：参阅“[使B树可靠](ch3.md#使B树可靠)”），然后将提交记录追加到磁盘中的日志里。如果数据库在这个过程中间崩溃，当节点重启时，事务会从日志中恢复：如果提交记录在崩溃之前成功地写入磁盘，则认为事务被提交；否则来自该事务的任何写入都被回滚。
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对于在单个数据库节点执行的事务，原子性通常由存储引擎实现。当客户端请求数据库节点提交事务时，数据库将使事务的写入持久化（通常在预写式日志中：参阅“[使B树可靠](ch3.md#使B树可靠)”），然后将提交记录追加到磁盘中的日志里。如果数据库在这个过程中间崩溃，当节点重启时，事务会从日志中恢复：如果提交记录在崩溃之前成功地写入磁盘，则认为事务被提交；否则来自该事务的任何写入都被回滚。
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因此，在单个节点上，事务的提交主要取决于数据持久化落盘的**顺序**：首先是数据，然后是提交记录【72】。事务提交或终止的关键决定时刻是磁盘完成写入提交记录的时刻：在此之前，仍有可能中止（由于崩溃），但在此之后，事务已经提交（即使数据库崩溃）。因此，是单一的设备（连接到单个磁盘驱动的控制器，且挂载在单台机器上）使得提交具有原子性。
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因此，在单个节点上，事务的提交主要取决于数据持久化落盘的**顺序**：首先是数据，然后是提交记录【72】。事务提交或终止的关键决定时刻是磁盘完成写入提交记录的时刻：在此之前，仍有可能中止（由于崩溃），但在此之后，事务已经提交（即使数据库崩溃）。因此，是单一的设备（连接到单个磁盘驱动的控制器，且挂载在单台机器上）使得提交具有原子性。
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但是，如果一个事务中涉及多个节点呢？例如，你也许在分区数据库中会有一个多对象事务，或者是一个按关键词分区的二级索引（其中索引条目可能位于与主数据不同的节点上；参阅“[分区和二级索引](ch6.md#分区和二级索引)”）。大多数“NoSQL”分布式数据存储不支持这种分布式事务，但是很多关系型数据库集群支持（参见“[实践中的分布式事务](#实践中的分布式事务)”）。
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但是，如果一个事务中涉及多个节点呢？例如，你也许在分区数据库中会有一个多对象事务，或者是一个按关键词分区的二级索引（其中索引条目可能位于与主数据不同的节点上；参阅“[分区和二级索引](ch6.md#分区和二级索引)”）。大多数“NoSQL”分布式数据存储不支持这种分布式事务，但是很多关系型数据库集群支持（参见“[实践中的分布式事务](#实践中的分布式事务)”）。
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在这些情况下，仅向所有节点发送提交请求并独立提交每个节点的事务是不够的。这样很容易发生违反原子性的情况：提交在某些节点上成功，而在其他节点上失败：
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在这些情况下，仅向所有节点发送提交请求并独立提交每个节点的事务是不够的。这样很容易发生违反原子性的情况：提交在某些节点上成功，而在其他节点上失败：
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* 某些节点可能会检测到约束冲突或冲突，因此需要中止，而其他节点则可以成功进行提交。
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* 某些提交请求可能在网络中丢失，最终由于超时而中止，而其他提交请求则通过。
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@ -603,15 +605,15 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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如果某些节点提交了事务，但其他节点却放弃了这些事务，那么这些节点就会彼此不一致（如 [图7-3](img/fig7-3.png) 所示）。而且一旦在某个节点上提交了一个事务，如果事后发现它在其它节点上被中止了，它是无法撤回的。出于这个原因，一旦确定事务中的所有其他节点也将提交，节点就必须进行提交。
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事务提交必须是不可撤销的 —— 事务提交之后，你不能改变主意，并追溯性地中止事务。这个规则的原因是，一旦数据被提交，其结果就对其他事务可见，因此其他客户端可能会开始依赖这些数据。这个原则构成了**读已提交**隔离等级的基础，在“[读已提交](ch7.md#读已提交)”一节中讨论了这个问题。如果一个事务在提交后被允许中止，所有那些读取了**已提交却又被追溯声明不存在数据**的事务也必须回滚。
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事务提交必须是不可撤销的 —— 事务提交之后，你不能改变主意，并追溯性地中止事务。这个规则的原因是，一旦数据被提交，其结果就对其他事务可见，因此其他客户端可能会开始依赖这些数据。这个原则构成了**读已提交**隔离等级的基础，在“[读已提交](ch7.md#读已提交)”一节中讨论了这个问题。如果一个事务在提交后被允许中止，所有那些读取了**已提交却又被追溯声明不存在数据**的事务也必须回滚。
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（提交事务的结果有可能通过事后执行另一个补偿事务来取消【73,74】，但从数据库的角度来看，这是一个单独的事务，因此任何关于跨事务正确性的保证都是应用自己的问题。）
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（提交事务的结果有可能通过事后执行另一个补偿事务来取消【73,74】，但从数据库的角度来看，这是一个单独的事务，因此任何关于跨事务正确性的保证都是应用自己的问题。）
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#### 两阶段提交简介
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**两阶段提交（two-phase commit）**是一种用于实现跨多个节点的原子事务提交的算法，即确保所有节点提交或所有节点中止。 它是分布式数据库中的经典算法【13,35,75】。 2PC在某些数据库内部使用，也以**XA事务**的形式对应用可用【76,77】（例如Java Transaction API支持）或以SOAP Web服务的`WS-AtomicTransaction` 形式提供给应用程序【78,79】。
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**两阶段提交（two-phase commit）**是一种用于实现跨多个节点的原子事务提交的算法，即确保所有节点提交或所有节点中止。 它是分布式数据库中的经典算法【13,35,75】。 2PC在某些数据库内部使用，也以**XA事务**的形式对应用可用【76,77】（例如Java Transaction API支持）或以SOAP Web服务的`WS-AtomicTransaction` 形式提供给应用【78,79】。
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[图9-9](img/fig9-9)说明了2PC的基本流程。2PC中的提交/中止过程分为两个阶段（因此而得名），而不是单节点事务中的单个提交请求。
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[ 图9-9](img/fig9-9)说明了2PC的基本流程。2PC中的提交/中止过程分为两个阶段（因此而得名），而不是单节点事务中的单个提交请求。
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@ -621,9 +623,9 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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> 两阶段提交（2PC）和两阶段锁定（参阅“[两阶段锁定（2PL）](ch7.md#两阶段锁定（2PL）)”）是两个完全不同的东西。 2PC在分布式数据库中提供原子提交，而2PL提供可序列化的隔离等级。为了避免混淆，最好把它们看作完全独立的概念，并忽略名称中不幸的相似性。
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2PC使用一个通常不会出现在单节点事务中的新组件：**协调者（coordinator）**（也称为**事务管理器（transaction manager）**）。协调者通常在请求事务的相同应用程序进程中以库的形式实现（例如，嵌入在Java EE容器中），但也可以是单独的进程或服务。这种协调者的例子包括Narayana，JOTM，BTM或MSDTC。
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2PC使用一个通常不会出现在单节点事务中的新组件：**协调者（coordinator）**（也称为**事务管理器（transaction manager）**）。协调者通常在请求事务的相同应用进程中以库的形式实现（例如，嵌入在Java EE容器中），但也可以是单独的进程或服务。这种协调者的例子包括Narayana，JOTM，BTM或MSDTC。
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正常情况下，2PC事务以应用程序在多个数据库节点上读写数据开始。我们称这些数据库节点为**参与者（participants）**。当应用程序准备提交时，协调者开始阶段 1 ：它发送一个**准备（prepare）**请求到每个节点，询问它们是否能够提交。然后协调者会跟踪参与者的响应：
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正常情况下，2PC事务以应用在多个数据库节点上读写数据开始。我们称这些数据库节点为**参与者（participants）**。当应用准备提交时，协调者开始阶段 1 ：它发送一个**准备（prepare）**请求到每个节点，询问它们是否能够提交。然后协调者会跟踪参与者的响应：
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* 如果所有参与者都回答“是”，表示它们已经准备好提交，那么协调者在阶段 2 发出**提交（commit）**请求，然后提交真正发生。
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* 如果任意一个参与者回复了“否”，则协调者在阶段2 中向所有节点发送**中止（abort）**请求。
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@ -632,7 +634,7 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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#### 系统承诺
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这个简短的描述可能并没有说清楚为什么两阶段提交保证了原子性，而跨多个节点的一阶段提交却没有。在两阶段提交的情况下，准备请求和提交请求当然也可以轻易丢失。 2PC又有什么不同呢？
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这个简短的描述可能并没有说清楚为什么两阶段提交保证了原子性，而跨多个节点的一阶段提交却没有。在两阶段提交的情况下，准备请求和提交请求当然也可以轻易丢失。 2PC又有什么不同呢？
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为了理解它的工作原理，我们必须更详细地分解这个过程：
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@ -645,96 +647,96 @@ CAP定理的正式定义仅限于很狭隘的范围【30】，它只考虑了一
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因此，该协议包含两个关键的“不归路”点：当参与者投票“是”时，它承诺它稍后肯定能够提交（尽管协调者可能仍然选择放弃）。一旦协调者做出决定，这一决定是不可撤销的。这些承诺保证了2PC的原子性。 （单节点原子提交将这两个事件混为一谈：将提交记录写入事务日志。）
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回到婚姻的比喻，在说“我是”之前，你和你的新娘/新郎有中止这个事务的自由，通过回复 “没门！”（或者有类似效果的话）。然而在说了“我愿意”之后，你就不能撤回那个声明了。如果你说“我愿意”后晕倒了，没有听到司仪说“你们现在是夫妻了”，那也并不会改变事务已经提交的现实。当你稍后恢复意识时，可以通过查询司仪的全局事务ID状态来确定你是否已经成婚，或者你可以等待司仪重试下一次提交请求（因为重试将在你无意识期间一直持续）。
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回到婚姻的比喻，在说“我是”之前，你和你的新娘/新郎有中止这个事务的自由，通过回复 “没门！”（或者有类似效果的话）。然而在说了“我愿意”之后，你就不能撤回那个声明了。如果你说“我愿意”后晕倒了，没有听到司仪说“你们现在是夫妻了”，那也并不会改变事务已经提交的现实。当你稍后恢复意识时，可以通过查询司仪的全局事务ID状态来确定你是否已经成婚，或者你可以等待司仪重试下一次提交请求（因为重试将在你无意识期间一直持续）。
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#### 协调者失效
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我们已经讨论了在2PC期间，如果参与者之一或网络发生故障时会发生什么情况：如果任何一个**准备**请求失败或者超时，协调者就会中止事务。如果任何提交或中止请求失败，协调者将无条件重试。但是如果协调者崩溃，会发生什么情况就不太清楚了。
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我们已经讨论了在2PC期间，如果参与者之一或网络发生故障时会发生什么情况：如果任何一个**准备**请求失败或者超时，协调者就会中止事务。如果任何提交或中止请求失败，协调者将无条件重试。但是如果协调者崩溃，会发生什么情况就不太清楚了。
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如果协调者在发送**准备**请求之前失败，参与者可以安全地中止事务。但是，一旦参与者收到了准备请求并投了“是”，就不能再单方面放弃 —— 必须等待协调者回答事务是否已经提交或中止。如果此时协调者崩溃或网络出现故障，参与者什么也做不了只能等待。参与者的这种事务状态称为**存疑（in doubt）**的或**不确定（uncertain）**的。
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如果协调者在发送**准备**请求之前失败，参与者可以安全地中止事务。但是，一旦参与者收到了准备请求并投了“是”，就不能再单方面放弃 —— 必须等待协调者回答事务是否已经提交或中止。如果此时协调者崩溃或网络出现故障，参与者什么也做不了只能等待。参与者的这种事务状态称为**存疑（in doubt）**的或**不确定（uncertain）**的。
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情况如[图9-10](img/fig9-10) 所示。在这个特定的例子中，协调者实际上决定提交，数据库2 收到提交请求。但是，协调者在将提交请求发送到数据库1 之前发生崩溃，因此数据库1 不知道是否提交或中止。即使**超时**在这里也没有帮助：如果数据库1 在超时后单方面中止，它将最终与执行提交的数据库2 不一致。同样，单方面提交也是不安全的，因为另一个参与者可能已经中止了。
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情况如[图9-10](img/fig9-10) 所示。在这个特定的例子中，协调者实际上决定提交，数据库2 收到提交请求。但是，协调者在将提交请求发送到数据库1 之前发生崩溃，因此数据库1 不知道是否提交或中止。即使**超时**在这里也没有帮助：如果数据库1 在超时后单方面中止，它将最终与执行提交的数据库2 不一致。同样，单方面提交也是不安全的，因为另一个参与者可能已经中止了。
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**图9-10 参与者投赞成票后，协调者崩溃。数据库1不知道是否提交或中止**
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没有协调者的消息，参与者无法知道是提交还是放弃。原则上参与者可以相互沟通，找出每个参与者是如何投票的，并达成一致，但这不是2PC协议的一部分。
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没有协调者的消息，参与者无法知道是提交还是放弃。原则上参与者可以相互沟通，找出每个参与者是如何投票的，并达成一致，但这不是2PC协议的一部分。
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可以完成2PC的唯一方法是等待协调者恢复。这就是为什么协调者必须在向参与者发送提交或中止请求之前，将其提交或中止决定写入磁盘上的事务日志：协调者恢复后，通过读取其事务日志来确定所有存疑事务的状态。任何在协调者日志中没有提交记录的事务都会中止。因此，2PC的**提交点**归结为协调者上的常规单节点原子提交。
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可以完成2PC的唯一方法是等待协调者恢复。这就是为什么协调者必须在向参与者发送提交或中止请求之前，将其提交或中止决定写入磁盘上的事务日志：协调者恢复后，通过读取其事务日志来确定所有存疑事务的状态。任何在协调者日志中没有提交记录的事务都会中止。因此，2PC的**提交点**归结为协调者上的常规单节点原子提交。
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#### 三阶段提交
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两阶段提交被称为**阻塞（blocking）**原子提交协议，因为存在2PC可能卡住并等待协调者恢复的情况。理论上，可以使一个原子提交协议变为**非阻塞（nonblocking）**的，以便在节点失败时不会卡住。但是让这个协议能在实践中工作并没有那么简单。
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两阶段提交被称为**阻塞（blocking）**原子提交协议，因为存在2PC可能卡住并等待协调者恢复的情况。理论上，可以使一个原子提交协议变为**非阻塞（nonblocking）**的，以便在节点失败时不会卡住。但是让这个协议能在实践中工作并没有那么简单。
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作为2PC的替代方案，已经提出了一种称为**三阶段提交（3PC）**的算法【13,80】。然而，3PC假定网络延迟有界，节点响应时间有限；在大多数具有无限网络延迟和进程暂停的实际系统中（见[第8章](ch8.md)），它并不能保证原子性。
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作为2PC的替代方案，已经提出了一种称为**三阶段提交（3PC）**的算法【13,80】。然而，3PC假定网络延迟有界，节点响应时间有限；在大多数具有无限网络延迟和进程暂停的实际系统中（见[第8章](ch8.md)），它并不能保证原子性。
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通常，非阻塞原子提交需要一个**完美的故障检测器（perfect failure detector）**【67,71】—— 即一个可靠的机制来判断一个节点是否已经崩溃。在具有无限延迟的网络中，超时并不是一种可靠的故障检测机制，因为即使没有节点崩溃，请求也可能由于网络问题而超时。出于这个原因，2PC仍然被使用，尽管大家都清楚可能存在协调者故障的问题。
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通常，非阻塞原子提交需要一个**完美的故障检测器（perfect failure detector）**【67,71】—— 即一个可靠的机制来判断一个节点是否已经崩溃。在具有无限延迟的网络中，超时并不是一种可靠的故障检测机制，因为即使没有节点崩溃，请求也可能由于网络问题而超时。出于这个原因，2PC仍然被使用，尽管大家都清楚可能存在协调者故障的问题。
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### 实践中的分布式事务
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分布式事务的名声毁誉参半，尤其是那些通过两阶段提交实现的。一方面，它被视作提供了一个难以实现的重要的安全性保证；另一方面，它们因为导致运维问题，造成性能下降，做出超过能力范围的承诺而饱受批评【81,82,83,84】。许多云服务由于其导致的运维问题，而选择不实现分布式事务【85,86】。
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分 布式事务的名声毁誉参半，尤其是那些通过两阶段提交实现的。一方面，它被视作提供了一个难以实现的重要的安全性保证；另一方面，它们因为导致运维问题，造成性能下降，做出超过能力范围的承诺而饱受批评【81,82,83,84】。许多云服务由于其导致的运维问题，而选择不实现分布式事务【85,86】。
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分布式事务的某些实现会带来严重的性能损失 —— 例如据报告称，MySQL中的分布式事务比单节点事务慢10倍以上【87】，所以当人们建议不要使用它们时就不足为奇了。两阶段提交所固有的性能成本，大部分是由于崩溃恢复所需的额外强制刷盘（`fsync`）【88】以及额外的网络往返。
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分布式事务的某些实现会带来严重的性能损失 —— 例如据报告称，MySQL中的分布式事务比单节点事务慢10倍以上【87】，所以当人们建议不要使用它们时就不足为奇了。两阶段提交所固有的性能成本，大部分是由于崩溃恢复所需的额外强制刷盘（`fsync`）【88】以及额外的网络往返。
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但我们不应该直接忽视分布式事务，而应当更加仔细地审视这些事务，因为从中可以汲取重要的经验教训。首先，我们应该精确地说明“**分布式事务**”的含义。两种截然不同的分布式事务类型经常被混淆：
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但我们不应该直接忽视分布式事务，而应当更加仔细地审视这些事务，因为从中可以汲取重要的经验教训。首先，我们应该精确地说明“**分布式事务**”的含义。两种截然不同的分布式事务类型经常被混淆：
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***数据库内部的分布式事务***
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一些分布式数据库（即在其标准配置中使用复制和分区的数据库）支持数据库节点之间的内部事务。例如，VoltDB和MySQL Cluster的NDB存储引擎就有这样的内部事务支持。在这种情况下，所有参与事务的节点都运行相同的数据库软件。
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一些分布式数据库（即在其标准配置中使用复制和分区的数据库）支持数据库节点之间的内部事务。例如，VoltDB和MySQL Cluster的NDB存储引擎就有这样的内部事务支持。在这种情况下，所有参与事务的节点都运行相同的数据库软件。
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***异构分布式事务***
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在**异构（heterogeneous）**事务中，参与者是两种或以上不同技术：例如来自不同供应商的两个数据库，甚至是非数据库系统（如消息代理）。跨系统的分布式事务必须确保原子提交，尽管系统可能完全不同。
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在**异构（heterogeneous）**事务中，参与者是两种或以上不同技术：例如来自不同供应商的两个数据库，甚至是非数据库系统（如消息代理）。跨系统的分布式事务必须确保原子提交，尽管系统可能完全不同。
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数据库内部事务不必与任何其他系统兼容，因此它们可以使用任何协议，并能针对特定技术进行特定的优化。因此数据库内部的分布式事务通常工作地很好。另一方面，跨异构技术的事务则更有挑战性。
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数据库内部事务不必与任何其他系统兼容，因此它们可以使用任何协议，并能针对特定技术进行特定的优化。因此数据库内部的分布式事务通常工作地很好。另一方面，跨异构技术的事务则更有挑战性。
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#### 恰好一次的消息处理
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异构的分布式事务处理能够以强大的方式集成不同的系统。例如：消息队列中的一条消息可以被确认为已处理，当且仅当用于处理消息的数据库事务成功提交。这是通过在同一个事务中原子提交**消息确认**和**数据库写入**两个操作来实现的。藉由分布式事务的支持，即使消息代理和数据库是在不同机器上运行的两种不相关的技术，这种操作也是可能的。
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异构的分布式事务处理能够以强大的方式集成不同的系统。例如：消息队列中的一条消息可以被确认为已处理，当且仅当用于处理消息的数据库事务成功提交。这是通过在同一个事务中原子提交**消息确认**和**数据库写入**两个操作来实现的。藉由分布式事务的支持，即使消息代理和数据库是在不同机器上运行的两种不相关的技术，这种操作也是可能的。
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如果消息传递或数据库事务任意一者失败，两者都会中止，因此消息代理可能会在稍后安全地重传消息。因此，通过原子提交**消息处理及其副作用**，即使在成功之前需要几次重试，也可以确保消息被**有效地（effectively）**恰好处理一次。中止会抛弃部分完成事务所导致的任何副作用。
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如果消息传递或数据库事务任意一者失败，两者都会中止，因此消息代理可能会在稍后安全地重传消息。因此，通过原子提交**消息处理及其副作用**，即使在成功之前需要几次重试，也可以确保消息被**有效地（effectively）**恰好处理一次。中止会抛弃部分完成事务所导致的任何副作用。
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然而，只有当所有受事务影响的系统都使用同样的**原子提交协议（atomic commit protocl）**时，这样的分布式事务才是可能的。例如，假设处理消息的副作用是发送一封邮件，而邮件服务器并不支持两阶段提交：如果消息处理失败并重试，则可能会发送两次或更多次的邮件。但如果处理消息的所有副作用都可以在事务中止时回滚，那么这样的处理流程就可以安全地重试，就好像什么都没有发生过一样。
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然而，只有当所有受事务影响的系统都使用同样的**原子提交协议（atomic commit protocl）**时，这样的分布式事务才是可能的。例如，假设处理消息的副作用是发送一封邮件，而邮件服务器并不支持两阶段提交：如果消息处理失败并重试，则可能会发送两次或更多次的邮件。但如果处理消息的所有副作用都可以在事务中止时回滚，那么这样的处理流程就可以安全地重试，就好像什么都没有发生过一样。
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在[第11章](ch11.md)中将再次回到”恰好一次“消息处理的主题。让我们先来看看允许这种异构分布式事务的原子提交协议。
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在[第11章](ch11.md)中将再次回到”恰好一次“消息处理的主题。让我们先来看看允许这种异构分布式事务的原子提交协议。
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#### XA事务
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*X/Open XA*（**扩展架构（eXtended Architecture）**的缩写）是跨异构技术实现两阶段提交的标准【76,77】。它于1991年推出并得到了广泛的实现：许多传统关系数据库（包括PostgreSQL，MySQL，DB2，SQL Server和Oracle）和消息代理（包括ActiveMQ，HornetQ，MSMQ和IBM MQ） 都支持XA。
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*X/Open XA*（**扩展架构（eXtended Architecture）**的缩写）是跨异构技术实现两阶段提交的标准【76,77】。它于1991年推出并得到了广泛的实现：许多传统关系数据库（包括PostgreSQL，MySQL，DB2，SQL Server和Oracle）和消息代理（包括ActiveMQ，HornetQ，MSMQ和IBM MQ） 都支持XA。
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XA不是一个网络协议——它只是一个用来与事务协调者连接的C API。其他语言也有这种API的绑定；例如在Java EE应用的世界中，XA事务是使用**Java事务API（JTA, Java Transaction API）**实现的，而许多使用**Java数据库连接（JDBC, Java Database Connectivity）**的数据库驱动，以及许多使用**Java消息服务（JMS）**API的消息代理都支持**Java事务API（JTA）**。
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XA不是一个网络协议——它只是一个用来与事务协调者连接的C API。其他语言也有这种API的绑定；例如在Java EE应用的世界中，XA事务是使用**Java事务API（JTA, Java Transaction API）**实现的，而许多使用**Java数据库连接（JDBC, Java Database Connectivity）**的数据库驱动，以及许多使用**Java消息服务（JMS）**API的消息代理都支持**Java事务API（JTA）**。
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XA假定你的应用使用网络驱动或客户端库来与**参与者**进行通信（数据库或消息服务）。如果驱动支持XA，则意味着它会调用XA API 以查明操作是否为分布式事务的一部分 —— 如果是，则将必要的信息发往数据库服务器。驱动还会向协调者暴露回调接口，协调者可以通过回调来要求参与者准备，提交或中止。
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XA假定你的应用使用网络驱动或客户端库来与**参与者**进行通信（数据库或消息服务）。如果驱动支持XA，则意味着它会调用XA API 以查明操作是否为分布式事务的一部分 —— 如果是，则将必要的信息发往数据库服务器。驱动还会向协调者暴露回调接口，协调者可以通过回调来要求参与者准备，提交或中止。
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事务协调者需要实现XA API。标准没有指明应该如何实现，但实际上协调者通常只是一个库，被加载到发起事务的应用的同一个进程中（而不是单独的服务）。它在事务中个跟踪所有的参与者，并在要求它们**准备**之后收集参与者的响应（通过驱动回调），并使用本地磁盘上的日志记录每次事务的决定（提交/中止）。
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事务协调者需要实现XA API。标准没有指明应该如何实现，但实际上协调者通常只是一个库，被加载到发起事务的应用的同一个进程中（而不是单独的服务）。它在事务中个跟踪所有的参与者，并在要求它们**准备**之后收集参与者的响应（通过驱动回调），并使用本地磁盘上的日志记录每次事务的决定（提交/中止）。
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如果应用进程崩溃，或者运行应用的机器报销了，协调者也随之往生极乐。然后任何带有**准备了**但未提交事务的参与者都会在疑虑中卡死。由于协调程序的日志位于应用服务器的本地磁盘上，因此必须重启该服务器，且协调程序库必须读取日志以恢复每个事务的提交/中止结果。只有这样，协调者才能使用数据库驱动的XA回调来要求参与者提交或中止。数据库服务器不能直接联系协调者，因为所有通信都必须通过客户端库。
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如果应用进程崩溃，或者运行应用的机器报销了，协调者也随之往生极乐。然后任何带有**准备了**但未提交事务的参与者都会在疑虑中卡死。由于协调程序的日志位于应用服务器的本地磁盘上，因此必须重启该服务器，且协调程序库必须读取日志以恢复每个事务的提交/中止结果。只有这样，协调者才能使用数据库驱动的XA回调来要求参与者提交或中止。数据库服务器不能直接联系协调者，因为所有通信都必须通过客户端库。
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#### 怀疑时持有锁
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为什么我们这么关心存疑事务？系统的其他部分就不能继续正常工作，无视那些终将被清理的存疑事务吗？
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为什么我们这么关心存疑事务？系统的其他部分就不能继续正常工作，无视那些终将被清理的存疑事务吗？
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问题在于**锁（locking）**。正如在“[读已提交](ch7.md#读已提交)”中所讨论的那样，数据库事务通常获取待修改的行上的**行级排他锁**，以防止脏写。此外，如果要使用可序列化的隔离等级，则使用两阶段锁定的数据库也必须为事务所读取的行加上共享锁（参见“[两阶段锁定（2PL）](ch7.md#两阶段锁定（2PL）)”）。
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问题在于**锁（locking）**。正如在“[读已提交](ch7.md#读已提交)”中所讨论的那样，数据库事务通常获取待修改的行上的**行级排他锁**，以防止脏写。此外，如果要使用可序列化的隔离等级，则使用两阶段锁定的数据库也必须为事务所读取的行加上共享锁（参见“[两阶段锁定（2PL）](ch7.md#两阶段锁定（2PL）)”）。
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在事务提交或中止之前，数据库不能释放这些锁（如[图9-9](img/fig9-9.png)中的阴影区域所示）。因此，在使用两阶段提交时，事务必须在整个存疑期间持有这些锁。如果协调者已经崩溃，需要20分钟才能重启，那么这些锁将会被持有20分钟。如果协调者的日志由于某种原因彻底丢失，这些锁将被永久持有 —— 或至少在管理员手动解决该情况之前。
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在事务提交或中止之前，数据库不能释放这些锁（如[图9-9](img/fig9-9.png)中的阴影区域所示）。因此，在使用两阶段提交时，事务必须在整个存疑期间持有这些锁。如果协调者已经崩溃，需要20分钟才能重启，那么这些锁将会被持有20分钟。如果协调者的日志由于某种原因彻底丢失，这些锁将被永久持有 —— 或至少在管理员手动解决该情况之前。
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当这些锁被持有时，其他事务不能修改这些行。根据数据库的不同，其他事务甚至可能因为读取这些行而被阻塞。因此，其他事务没法儿简单地继续它们的业务了 —— 如果它们要访问同样的数据，就会被阻塞。这可能会导致应用大面积进入不可用状态，直到存疑事务被解决。
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当这些锁被持有时，其他事务不能修改这些行。根据数据库的不同，其他事务甚至可能因为读取这些行而被阻塞。因此，其他事务没法儿简单地继续它们的业务了 —— 如果它们要访问同样的数据，就会被阻塞。这可能会导致应用大面积进入不可用状态，直到存疑事务被解决。
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#### 从协调者故障中恢复
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理论上，如果协调者崩溃并重新启动，它应该干净地从日志中恢复其状态，并解决任何存疑事务。然而在实践中，**孤立（orphaned）**的存疑事务确实会出现【89,90】，即无论出于何种理由，协调者无法确定事务的结果（例如事务日志已经由于软件错误丢失或损坏）。这些事务无法自动解决，所以它们永远待在数据库中，持有锁并阻塞其他事务。
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理论上，如果协调者崩溃并重新启动，它应该干净地从日志中恢复其状态，并解决任何存疑事务。然而在实践中，**孤立（orphaned）**的存疑事务确实会出现【89,90】，即无论出于何种理由，协调者无法确定事务的结果（例如事务日志已经由于软件错误丢失或损坏）。这些事务无法自动解决，所以它们永远待在数据库中，持有锁并阻塞其他事务。
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即使重启数据库服务器也无法解决这个问题，因为在2PC的正确实现中，即使重启也必须保留存疑事务的锁（否则就会冒有违反原子性保证的风险）。这是一种棘手的情况。
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即使重启数据库服务器也无法解决这个问题，因为在2PC的正确实现中，即使重启也必须保留存疑事务的锁（否则就会冒有违反原子性保证的风险）。这是一种棘手的情况。
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唯一的出路是让管理员手动决定提交还是回滚事务。管理员必须检查每个存疑事务的参与者，确定是否有任何参与者已经提交或中止，然后将相同的结果应用于其他参与者。解决这个问题潜在地需要大量的人力，并且可能发生在严重的生产中断期间（不然为什么协调者处于这种糟糕的状态），并很可能要在巨大精神压力和时间压力下完成。
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唯一的出路是让管理员手动决定提交还是回滚事务。管理员必须检查每个存疑事务的参与者，确定是否有任何参与者已经提交或中止，然后将相同的结果应用于其他参与者。解决这个问题潜在地需要大量的人力，并且可能发生在严重的生产中断期间（不然为什么协调者处于这种糟糕的状态），并很可能要在巨大精神压力和时间压力下完成。
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许多XA的实现都有一个叫做**启发式决策（heuristic decistions）**的紧急逃生舱口：允许参与者单方面决定放弃或提交一个存疑事务，而无需协调者做出最终决定【76,77,91】。要清楚的是，这里**启发式**是**可能破坏原子性（probably breaking atomicity）**的委婉说法，因为它违背了两阶段提交的系统承诺。因此，启发式决策只是为了逃出灾难性的情况而准备的，而不是为了日常使用的。
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许多XA的实现都有一个叫做**启发式决策（heuristic decistions）**的紧急逃生舱口：允许参与者单方面决定放弃或提交一个存疑事务，而无需协调者做出最终决定【76,77,91】。要清楚的是，这里**启发式**是**可能破坏原子性（probably breaking atomicity）**的委婉说法，因为它违背了两阶段提交的系统承诺。因此，启发式决策只是为了逃出灾难性的情况而准备的，而不是为了日常使用的。
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#### 分布式事务的限制
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XA事务解决了保持多个参与者（数据系统）相互一致的现实的重要问题，但正如我们所看到的那样，它也引入了严重的运维问题。特别来讲，这里的核心认识是：事务协调者本身就是一种数据库（存储了事务的结果），因此需要像其他重要数据库一样小心地打交道：
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XA事务解决了保持多个参与者（数据系统）相互一致的现实的重要问题，但正如我们所看到的那样，它也引入了严重的运维问题。特别来讲，这里的核心认识是：事务协调者本身就是一种数据库（存储了事务的结果），因此需要像其他重要数据库一样小心地打交道：
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* 如果协调者没有复制，而是只在单台机器上运行，那么它是整个系统的失效单点（因为它的失效会导致其他应用服务器阻塞在存疑事务持有的锁上）。令人惊讶的是，许多协调者实现默认情况下并不是高可用的，或者只有基本的复制支持。
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* 许多服务器端应用都是使用无状态模式开发的（受HTTP的青睐），所有持久状态都存储在数据库中，因此具有应用服务器可随意按需添加删除的优点。但是，当协调者成为应用服务器的一部分时，它会改变部署的性质。突然间，协调者的日志成为持久系统状态的关键部分—— 与数据库本身一样重要，因为协调者日志是为了在崩溃后恢复存疑事务所必需的。这样的应用服务器不再是无状态的了。
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@ -747,9 +749,9 @@ XA事务解决了保持多个参与者（数据系统）相互一致的现实的
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### 容错共识
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非正式地，共识意味着让几个节点就某事达成一致。例如，如果有几个人**同时（concurrently）**尝试预订飞机上的最后一个座位，或剧院中的同一个座位，或者尝试使用相同的用户名注册一个帐户。共识算法可以用来确定这些**互不相容（mutually incompatible）**的操作中，哪一个才是赢家。
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非正式地，共识意味着让几个节点就某事达成一致。例如，如果有几个人**同时（concurrently）**尝试预订飞机上的最后一个座位，或剧院中的同一个座位，或者尝试使用相同的用户名注册一个帐户。共识算法可以用来确定这些**互不相容（mutually incompatible）**的操作中，哪一个才是赢家。
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共识问题通常形式化如下：一个或多个节点可以**提议（propose）**某些值，而共识算法**决定（decides）**采用其中的某个值。在座位预订的例子中，当几个顾客同时试图订购最后一个座位时，处理顾客请求的每个节点可以**提议**正在服务的顾客的ID，而**决定**指明了哪个顾客获得了座位。
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共识问题通常形式化如下：一个或多个节点可以**提议（propose）**某些值，而共识算法**决定（decides）**采用其中的某个值。在座位预订的例子中，当几个顾客同时试图订购最后一个座位时，处理顾客请求的每个节点可以**提议**正在服务的顾客的ID，而**决定**指明了哪个顾客获得了座位。
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在这种形式下，共识算法必须满足以下性质【25】：[^xiii]
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@ -772,25 +774,25 @@ XA事务解决了保持多个参与者（数据系统）相互一致的现实的
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**一致同意**和**完整性**属性定义了共识的核心思想：所有人都决定了相同的结果，一旦决定了，你就不能改变主意。**有效性**属性主要是为了排除平凡的解决方案：例如，无论提议了什么值，你都可以有一个始终决定值为`null`的算法。；该算法满足**一致同意**和**完整性**属性，但不满足**有效性**属性。
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如果你不关心容错，那么满足前三个属性很容易：你可以将一个节点硬编码为“独裁者”，并让该节点做出所有的决定。但如果该节点失效，那么系统就无法再做出任何决定。事实上，这就是我们在两阶段提交的情况中所看到的：如果协调者失效，那么存疑的参与者就无法决定提交还是中止。
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如果你不关心容错，那么满足前三个属性很容易：你可以将一个节点硬编码为“独裁者”，并让该节点做出所有的决定。但如果该节点失效，那么系统就无法再做出任何决定。事实上，这就是我们在两阶段提交的情况中所看到的：如果协调者失效，那么存疑的参与者就无法决定提交还是中止。
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**终止**属性正式形成了容错的思想。它实质上说的是，一个共识算法不能简单地永远闲坐着等死 —— 换句话说，它必须取得进展。即使部分节点出现故障，其他节点也必须达成一项决定。 （**终止**是一种**活性属性**，而另外三种是安全属性 —— 参见“[安全性和活性](ch8.md#安全性和活性)”。）
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**终止**属性正式形成了容错的思想。它实质上说的是，一个共识算法不能简单地永远闲坐着等死 —— 换句话说，它必须取得进展。即使部分节点出现故障，其他节点也必须达成一项决定。 （**终止**是一种**活性属性**，而另外三种是安全属性 —— 参见“[安全性和活性](ch8.md#安全性和活性)”。）
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共识的系统模型假设，当一个节点“崩溃”时，它会突然消失而且永远不会回来。（不像软件崩溃，想象一下地震，包含你的节点的数据中心被山体滑坡所摧毁，你必须假设节点被埋在30英尺以下的泥土中，并且永远不会重新上线）在这个系统模型中，任何需要等待节点恢复的算法都不能满足**终止**属性。特别是，2PC不符合终止属性的要求。
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共识的系统模型假设，当一个节点“崩溃”时，它会突然消失而且永远不会回来。（不像软件崩溃，想象一下地震，包含你的节点的数据中心被山体滑坡所摧毁，你必须假设节点被埋在30英尺以下的泥土中，并且永远不会重新上线）在这个系统模型中，任何需要等待节点恢复的算法都不能满足**终止**属性。特别是，2PC不符合终止属性的要求。
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当然如果**所有**的节点都崩溃了，没有一个在运行，那么所有算法都不可能决定任何事情。算法可以容忍的失效数量是有限的：事实上可以证明，任何共识算法都需要至少占总体**多数（majority）**的节点正确工作，以确保终止属性【67】。多数可以安全地组成法定人数（参阅“[读写的法定人数](ch5.md#读写的法定人数)”）。
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当然如果**所有**的节点都崩溃了，没有一个在运行，那么所有算法都不可能决定任何事情。算法可以容忍的失效数量是有限的：事实上可以证明，任何共识算法都需要至少占总体**多数（majority）**的节点正确工作，以确保终止属性【67】。多数可以安全地组成法定人数（参阅“[读写的法定人数](ch5.md#读写的法定人数)”）。
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因此**终止**属性取决于一个假设，**不超过一半的节点崩溃或不可达**。然而即使多数节点出现故障或存在严重的网络问题，绝大多数共识的实现都能始终确保安全属性得到满足—— 一致同意，完整性和有效性【92】。因此，大规模的中断可能会阻止系统处理请求，但是它不能通过使系统做出无效的决定来破坏共识系统。
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因此**终止**属性取决于一个假设，**不超过一半的节点崩溃或不可达**。然而即使多数节点出现故障或存在严重的网络问题，绝大多数共识的实现都能始终确保安全属性得到满足—— 一致同意，完整性和有效性【92】。因此，大规模的中断可能会阻止系统处理请求，但是它不能通过使系统做出无效的决定来破坏共识系统。
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大多数共识算法假设不存在**拜占庭式错误**，正如在“[拜占庭式错误](#拜占庭式错误)”一节中所讨论的那样。也就是说，如果一个节点没有正确地遵循协议（例如，如果它向不同节点发送矛盾的消息），它就可能会破坏协议的安全属性。克服拜占庭故障，稳健地达成共识是可能的，只要少于三分之一的节点存在拜占庭故障【25,93】。但我们没有地方在本书中详细讨论这些算法了。
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大多数共识算法假设不存在**拜占庭式错误**，正如在“[拜占庭式错误](#拜占庭式错误)”一节中所讨论的那样。也就是说，如果一个节点没有正确地遵循协议（例如，如果它向不同节点发送矛盾的消息），它就可能会破坏协议的安全属性。克服拜占庭故障，稳健地达成共识是可能的，只要少于三分之一的节点存在拜占庭故障【25,93】。但我们没有地方在本书中详细讨论这些算法了。
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#### 共识算法和全序广播
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最著名的容错共识算法是**视图戳复制（VSR, viewstamped replication）**【94,95】，Paxos 【96,97,98,99】，Raft 【22,100,101】以及 Zab 【15,21,102】 。这些算法之间有不少相似之处，但它们并不相同【103】。在本书中我们不会介绍各种算法的详细细节：了解一些它们共通的高级思想通常已经足够了，除非你准备自己实现一个共识系统。（可能并不明智，相当难【98,104】）
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最著名的容错共识算法是**视图戳复制（VSR, viewstamped replication）**【94,95】，Paxos 【96,97,98,99】，Raft 【22,100,101】以及 Zab 【15,21,102】 。这些算法之间有不少相似之处，但它们并不相同【103】。在本书中我们不会介绍各种算法的详细细节：了解一些它们共通的高级思想通常已经足够了，除非你准备自己实现一个共识系统。（可能并不明智，相当难【98,104】）
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大多数这些算法实际上并不直接使用这里描述的形式化模型（提议与决定单个值，一致同意，完整性，有效性和终止属性）。取而代之的是，它们决定了值的**顺序（sequence）**，这使它们成为全序广播算法，正如本章前面所讨论的那样（参阅“[全序广播](#全序广播)”）。
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大多数这些算法实际上并不直接使用这里描述的形式化模型（提议与决定单个值，一致同意，完整性，有效性和终止属性）。取而代之的是，它们决定了值的**顺序（sequence）**，这使它们成为全序广播算法，正如本章前面所讨论的那样（参阅“[全序广播](#全序广播)”）。
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请记住，全序广播要求将消息按照相同的顺序，恰好传递一次，准确传送到所有节点。如果仔细思考，这相当于进行了几轮共识：在每一轮中，节点提议下一条要发送的消息，然后决定在全序中下一条要发送的消息【67】。
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请记住，全序广播要求将消息按照相同的顺序，恰好传递一次，准确传送到所有节点。如果仔细思考，这相当于进行了几轮共识：在每一轮中，节点提议下一条要发送的消息，然后决定在全序中下一条要发送的消息【67】。
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所以，全序广播相当于重复进行多轮共识（每次共识决定与一次消息传递相对应）：
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@ -805,59 +807,59 @@ XA事务解决了保持多个参与者（数据系统）相互一致的现实的
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#### 单领导者复制和共识
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在[第5章](ch5.md)中，我们讨论了单领导者复制（参见“[领导者和追随者](ch5.md#领导者和追随者)”），它将所有的写入操作都交给主库，并以相同的顺序将它们应用到从库，从而使副本保持在最新状态。这实际上不就是一个全序广播吗？为什么我们在[第五章](ch5.md)里一点都没担心过共识问题呢？
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在[第5章](ch5.md)中，我们讨论了单领导者复制（参见“[领导者和追随者](ch5.md#领导者和追随者)”），它将所有的写入操作都交给主库，并以相同的顺序将它们应用到从库，从而使副本保持在最新状态。这实际上不就是一个全序广播吗？为什么我们在[第五章](ch5.md)里一点都没担心过共识问题呢？
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答案取决于如何选择领导者。如果主库是由运维人员手动选择和配置的，那么你实际上拥有一种**独裁类型**的“共识算法”：只有一个节点被允许接受写入（即决定写入复制日志的顺序），如果该节点发生故障，则系统将无法写入，直到运维手动配置其他节点作为主库。这样的系统在实践中可以表现良好，但它无法满足共识的**终止**属性，因为它需要人为干预才能取得**进展**。
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答案取决于如何选择领导者。如果主库是由运维人员手动选择和配置的，那么你实际上拥有一种**独裁类型**的“共识算法”：只有一个节点被允许接受写入（即决定写入复制日志的顺序），如果该节点发生故障，则系统将无法写入，直到运维手动配置其他节点作为主库。这样的系统在实践中可以表现良好，但它无法满足共识的**终止**属性，因为它需要人为干预才能取得**进展**。
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一些数据库会自动执行领导者选举和故障转移，如果旧主库失效，会提拔一个从库为新主库（参见“[处理节点宕机](ch5.md#处理节点宕机)”）。这使我们向容错的全序广播更进一步，从而达成共识。
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一些数据库会自动执行领导者选举和故障转移，如果旧主库失效，会提拔一个从库为新主库（参见“[处理节点宕机](ch5.md#处理节点宕机)”）。这使我们向容错的全序广播更进一步，从而达成共识。
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但是还有一个问题。我们之前曾经讨论过脑裂的问题，并且说过所有的节点都需要同意是谁领导，否则两个不同的节点都会认为自己是领导者，从而导致数据库进入不一致的状态。因此，选出一位领导者需要共识。但如果这里描述的共识算法实际上是全序广播算法，并且全序广播就像单主复制，而单主复制需要一个领导者，那么...
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但是还有一个问题。我们之前曾经讨论过脑裂的问题，并且说过所有的节点都需要同意是谁领导，否则两个不同的节点都会认为自己是领导者，从而导致数据库进入不一致的状态。因此，选出一位领导者需要共识。但如果这里描述的共识算法实际上是全序广播算法，并且全序广播就像单主复制，而单主复制需要一个领导者，那么...
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这样看来，要选出一个领导者，我们首先需要一个领导者。要解决共识问题，我们首先需要解决共识问题。我们如何跳出这个先有鸡还是先有蛋的问题？
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这样看来，要选出一个领导者，我们首先需要一个领导者。要解决共识问题，我们首先需要解决共识问题。我们如何跳出这个先有鸡还是先有蛋的问题？
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#### 时代编号和法定人数
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迄今为止所讨论的所有共识协议，在内部都以某种形式使用一个领导者，但它们并不能保证领导者是独一无二的。相反，它们可以做出更弱的保证：协议定义了一个**时代编号（epoch number）**（在Paxos中称为**投票编号（ballot number）**，视图戳复制中的**视图编号（view number）**，以及Raft中的**任期号码（term number）**），并确保在每个时代中，领导者都是唯一的。
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迄今为止所讨论的所有共识协议，在内部都以某种形式使用一个领导者，但它们并不能保证领导者是独一无二的。相反，它们可以做出更弱的保证：协议定义了一个**时代编号（epoch number）**（在Paxos中称为**投票编号（ballot number）**，视图戳复制中的**视图编号（view number）**，以及Raft中的**任期号码（term number）**），并确保在每个时代中，领导者都是唯一的。
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每次当现任领导被认为挂掉的时候，节点间就会开始一场投票，以选出一个新领导。这次选举被赋予一个递增的时代编号，因此时代编号是全序且单调递增的。如果两个不同的时代的领导者之间出现冲突（也许是因为前任领导者实际上并未死亡），那么带有更高时代编号的领导说了算。
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每次当现任领导被认为挂掉的时候，节点间就会开始一场投票，以选出一个新领导。这次选举被赋予一个递增的时代编号，因此时代编号是全序且单调递增的。如果两个不同的时代的领导者之间出现冲突（也许是因为前任领导者实际上并未死亡），那么带有更高时代编号的领导说了算。
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在任何领导者被允许决定任何事情之前，必须先检查是否存在其他带有更高时代编号的领导者，它们可能会做出相互冲突的决定。领导者如何知道自己没有被另一个节点赶下台？回想一下在“[真理在多数人手中](ch8.md#真理在多数人手中)”中提到的：一个节点不一定能相信自己的判断—— 因为只有节点自己认为自己是领导者，并不一定意味着其他节点接受它作为它们的领导者。
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在任何领导者被允许决定任何事情之前，必须先检查是否存在其他带有更高时代编号的领导者，它们可能会做出相互冲突的决定。领导者如何知道自己没有被另一个节点赶下台？回想一下在“[真理在多数人手中](ch8.md#真理在多数人手中)”中提到的：一个节点不一定能相信自己的判断—— 因为只有节点自己认为自己是领导者，并不一定意味着其他节点接受它作为它们的领导者。
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相反，它必须从**法定人数（quorum）**的节点中获取选票（参阅“[读写的法定人数](ch5.md#读写的法定人数)”）。对领导者想要做出的每一个决定，都必须将提议值发送给其他节点，并等待法定人数的节点响应并赞成提案。法定人数通常（但不总是）由多数节点组成【105】。只有在没有意识到任何带有更高时代编号的领导者的情况下，一个节点才会投票赞成提议。
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相反，它必须从**法定人数（quorum）**的节点中获取选票（参阅“[读写的法定人数](ch5.md#读写的法定人数)”）。对领导者想要做出的每一个决定，都必须将提议值发送给其他节点，并等待法定人数的节点响应并赞成提案。法定人数通常（但不总是）由多数节点组成【105】。只有在没有意识到任何带有更高时代编号的领导者的情况下，一个节点才会投票赞成提议。
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因此，我们有两轮投票：第一次是为了选出一位领导者，第二次是对领导者的提议进行表决。关键的洞察在于，这两次投票的**法定人群**必须相互**重叠（overlap）**：如果一个提案的表决通过，则至少得有一个参与投票的节点也必须参加过最近的领导者选举【105】。因此，如果在一个提案的表决过程中没有出现更高的时代编号。那么现任领导者就可以得出这样的结论：没有发生过更高时代的领导选举，因此可以确定自己仍然在领导。然后它就可以安全地对提议值做出决定。
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因此，我们有两轮投票：第一次是为了选出一位领导者，第二次是对领导者的提议进行表决。关键的洞察在于，这两次投票的**法定人群**必须相互**重叠（overlap）**：如果一个提案的表决通过，则至少得有一个参与投票的节点也必须参加过最近的领导者选举【105】。因此，如果在一个提案的表决过程中没有出现更高的时代编号。那么现任领导者就可以得出这样的结论：没有发生过更高时代的领导选举，因此可以确定自己仍然在领导。然后它就可以安全地对提议值做出决定。
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这一投票过程表面上看起来很像两阶段提交。最大的区别在于，2PC中协调者不是由选举产生的，而且2PC则要求**所有**参与者都投赞成票，而容错共识算法只需要多数节点的投票。而且，共识算法还定义了一个恢复过程，节点可以在选举出新的领导者之后进入一个一致的状态，确保始终能满足安全属性。这些区别正是共识算法正确性和容错性的关键。
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这一投票过程表面上看起来很像两阶段提交。最大的区别在于，2PC中协调者不是由选举产生的，而且2PC则要求**所有**参与者都投赞成票，而容错共识算法只需要多数节点的投票。而且，共识算法还定义了一个恢复过程，节点可以在选举出新的领导者之后进入一个一致的状态，确保始终能满足安全属性。这些区别正是共识算法正确性和容错性的关键。
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#### 共识的局限性
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共识算法对于分布式系统来说是一个巨大的突破：它为其他充满不确定性的系统带来了基础的安全属性（一致同意，完整性和有效性），然而它们还能保持容错（只要多数节点正常工作且可达，就能取得进展）。它们提供了全序广播，因此也可以它们也可以以一种容错的方式实现线性一致的原子操作（参见“[使用全序广播实现线性一致性存储](#使用全序广播实现线性一致性存储)”）。
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共识算法对于分布式系统来说是一个巨大的突破：它为其他充满不确定性的系统带来了基础的安全属性（一致同意，完整性和有效性），然而它们还能保持容错（只要多数节点正常工作且可达，就能取得进展）。它们提供了全序广播，因此也可以它们也可以以一种容错的方式实现线性一致的原子操作（参见“[使用全序广播实现线性一致性存储](#使用全序广播实现线性一致性存储)”）。
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尽管如此，它们并不是在所有地方都用上了，因为好处总是有代价的。
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尽管如此，它们并不是在所有地方都用上了，因为好处总是有代价的。
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节点在做出决定之前对提议进行投票的过程是一种同步复制。如“[同步与异步复制](ch5.md#同步与异步复制)”中所述，通常数据库会配置为异步复制模式。在这种配置中发生故障切换时，一些已经提交的数据可能会丢失 —— 但是为了获得更好的性能，许多人选择接受这种风险。
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节点在做出决定之前对提议进行投票的过程是一种同步复制。如“[同步与异步复制](ch5.md#同步与异步复制)”中所述，通常数据库会配置为异步复制模式。在这种配置中发生故障切换时，一些已经提交的数据可能会丢失 —— 但是为了获得更好的性能，许多人选择接受这种风险。
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共识系统总是需要严格多数来运转。这意味着你至少需要三个节点才能容忍单节点故障（其余两个构成多数），或者至少有五个节点来容忍两个节点发生故障（其余三个构成多数）。如果网络故障切断了某些节点同其他节点的连接，则只有多数节点所在的网络可以继续工作，其余部分将被阻塞（参阅“[线性一致性的代价](#线性一致性的代价)”）。
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共识系统总是需要严格多数来运转。这意味着你至少需要三个节点才能容忍单节点故障（其余两个构成多数），或者至少有五个节点来容忍两个节点发生故障（其余三个构成多数）。如果网络故障切断了某些节点同其他节点的连接，则只有多数节点所在的网络可以继续工作，其余部分将被阻塞（参阅“[线性一致性的代价](#线性一致性的代价)”）。
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大多数共识算法假定参与投票的节点是固定的集合，这意味着你不能简单的在集群中添加或删除节点。共识算法的**动态成员扩展（dynamic membership extension）**允许集群中的节点集随时间推移而变化，但是它们比静态成员算法要难理解得多。
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大多数共识算法假定参与投票的节点是固定的集合，这意味着你不能简单的在集群中添加或删除节点。共识算法的**动态成员扩展（dynamic membership extension）**允许集群中的节点集随时间推移而变化，但是它们比静态成员算法要难理解得多。
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共识系统通常依靠超时来检测失效的节点。在网络延迟高度变化的环境中，特别是在地理上散布的系统中，经常发生一个节点由于暂时的网络问题，错误地认为领导者已经失效。虽然这种错误不会损害安全属性，但频繁的领导者选举会导致糟糕的性能表现，因系统最后可能花在权力倾扎上的时间要比花在建设性工作的多得多。
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共识系统通常依靠超时来检测失效的节点。在网络延迟高度变化的环境中，特别是在地理上散布的系统中，经常发生一个节点由于暂时的网络问题，错误地认为领导者已经失效。虽然这种错误不会损害安全属性，但频繁的领导者选举会导致糟糕的性能表现，因系统最后可能花在权力倾扎上的时间要比花在建设性工作的多得多。
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有时共识算法对网络问题特别敏感。例如Raft已被证明存在让人不悦的极端情况【106】：如果整个网络工作正常，但只有一条特定的网络连接一直不可靠，Raft可能会进入领导频繁二人转的局面，或者当前领导者不断被迫辞职以致系统实质上毫无进展。其他一致性算法也存在类似的问题，而设计能健壮应对不可靠网络的算法仍然是一个开放的研究问题。
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有时共识算法对网络问题特别敏感。例如Raft已被证明存在让人不悦的极端情况【106】：如果整个网络工作正常，但只有一条特定的网络连接一直不可靠，Raft可能会进入领导频繁二人转的局面，或者当前领导者不断被迫辞职以致系统实质上毫无进展。其他一致性算法也存在类似的问题，而设计能健壮应对不可靠网络的算法仍然是一个开放的研究问题。
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### 成员与协调服务
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像ZooKeeper或etcd这样的项目通常被描述为“分布式键值存储”或“协调与配置服务”。这种服务的API看起来非常像数据库：你可以读写给定键的值，并遍历键。所以如果它们基本上算是数据库的话，为什么它们要把工夫全花在实现一个共识算法上呢？是什么使它们区别于其他任意类型的数据库？
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像ZooKeeper或etcd这样的项目通常被描述为“分布式键值存储”或“协调与配置服务”。这种服务的API看起来非常像数据库：你可以读写给定键的值，并遍历键。所以如果它们基本上算是数据库的话，为什么它们要把工夫全花在实现一个共识算法上呢？是什么使它们区别于其他任意类型的数据库？
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为了理解这一点，简单了解如何使用ZooKeeper这类服务是很有帮助的。作为应用开发人员，你很少需要直接使用ZooKeeper，因为它实际上不适合当成通用数据库来用。更有可能的是，你会通过其他项目间接依赖它，例如HBase，Hadoop YARN，OpenStack Nova和Kafka都依赖ZooKeeper在后台运行。这些项目从它那里得到了什么？
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为了理解这一点，简单了解如何使用ZooKeeper这类服务是很有帮助的。作为应用开发人员，你很少需要直接使用ZooKeeper，因为它实际上不适合当成通用数据库来用。更有可能的是，你会通过其他项目间接依赖它，例如HBase，Hadoop YARN，OpenStack Nova和Kafka都依赖ZooKeeper在后台运行。这些项目从它那里得到了什么？
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ZooKeeper和etcd被设计为容纳少量完全可以放在内存中的数据（虽然它们仍然会写入磁盘以保证持久性），所以你不会想着把所有应用数据放到这里。这些少量数据会通过容错的全序广播算法复制到所有节点上。正如前面所讨论的那样，数据库复制需要的就是全序广播：如果每条消息代表对数据库的写入，则以相同的顺序应用相同的写入操作可以使副本之间保持一致。
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ZooKeeper和etcd被设计为容纳少量完全可以放在内存中的数据（虽然它们仍然会写入磁盘以保证持久性），所以你不会想着把所有应用数据放到这里。这些少量数据会通过容错的全序广播算法复制到所有节点上。正如前面所讨论的那样，数据库复制需要的就是全序广播：如果每条消息代表对数据库的写入，则以相同的顺序应用相同的写入操作可以使副本之间保持一致。
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ZooKeeper模仿了Google的Chubby锁服务【14,98】，不仅实现了全序广播（因此也实现了共识），而且还构建了一组有趣的其他特性，这些特性在构建分布式系统时变得特别有用：
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ZooKeeper模仿了Google的Chubby锁服务【14,98】，不仅实现了全序广播（因此也实现了共识），而且还构建了一组有趣的其他特性，这些特性在构建分布式系统时变得特别有用：
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***线性一致性的原子操作***
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使用原子CAS操作可以实现锁：如果多个节点同时尝试执行相同的操作，只有一个节点会成功。共识协议保证了操作的原子性和线性一致性，即使节点发生故障或网络在任意时刻中断。分布式锁通常以**租约（lease）**的形式实现，租约有一个到期时间，以便在客户端失效的情况下最终能被释放（参阅“[进程暂停](ch8.md#进程暂停)”）。
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使用原子CAS操作可以实现锁：如果多个节点同时尝试执行相同的操作，只有一个节点会成功。共识协议保证了操作的原子性和线性一致性，即使节点发生故障或网络在任意时刻中断。分布式锁通常以**租约（lease）**的形式实现，租约有一个到期时间，以便在客户端失效的情况下最终能被释放（参阅“[进程暂停](ch8.md#进程暂停)”）。
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***操作的全序排序***
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@ -865,55 +867,53 @@ ZooKeeper模仿了Google的Chubby锁服务【14,98】，不仅实现了全序广
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***失效检测***
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客户端在ZooKeeper服务器上维护一个长期会话，客户端和服务器周期性地交换心跳包来检查节点是否还活着。即使连接暂时中断，或者ZooKeeper节点失效，会话仍保持在活跃状态。但如果心跳停止的持续时间超出会话超时，ZooKeeper会宣告该会话已死亡。当会话超时（ZooKeeper调用这些临时节点）时，会话持有的任何锁都可以配置为自动释放（ZooKeeper称之为**临时节点（ephemeral nodes）**）。
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客户端在ZooKeeper服务器上维护一个长期会话，客户端和服务器周期性地交换心跳包来检查节点是否还活着。即使连接暂时中断，或者ZooKeeper节点失效，会话仍保持在活跃状态。但如果心跳停止的持续时间超出会话超时，ZooKeeper会宣告该会话已死亡。当会话超时（ZooKeeper调用这些临时节点）时，会话持有的任何锁都可以配置为自动释放（ZooKeeper称之为**临时节点（ephemeral nodes）**）。
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***变更通知***
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客户端不仅可以读取其他客户端创建的锁和值，还可以监听它们的变更。因此，客户端可以知道另一个客户端何时加入集群（基于新客户端写入ZooKeeper的值），或发生故障（因其会话超时，而其临时节点消失）。通过订阅通知，客户端不用再通过频繁轮询的方式来找出变更。
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客户端不仅可以读取其他客户端创建的锁和值，还可以监听它们的变更。因此，客户端可以知道另一个客户端何时加入集群（基于新客户端写入ZooKeeper的值），或发生故障（因其会话超时，而其临时节点消失）。通过订阅通知，客户端不用再通过频繁轮询的方式来找出变更。
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在这些功能中，只有线性一致的原子操作才真的需要共识。但正是这些功能的组合，使得像ZooKeeper这样的系统在分布式协调中非常有用。
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在这些功能中，只有线性一致的原子操作才真的需要共识。但正是这些功能的组合，使得像ZooKeeper这样的系统在分布式协调中非常有用。
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#### 将工作分配给节点
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ZooKeeper/Chubby模型运行良好的一个例子是，如果你有几个进程实例或服务，需要选择其中一个实例作为主库或首选服务。如果领导者失败，其他节点之一应该接管。这对单主数据库当然非常实用，但对作业调度程序和类似的有状态系统也很好用。
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ZooKeeper/Chubby模型运行良好的一个例子是，如果你有几个进程实例或服务，需要选择其中一个实例作为主库或首选服务。如果领导者失败，其他节点之一应该接管。这对单主数据库当然非常实用，但对作业调度程序和类似的有状态系统也很好用。
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另一个例子是，当你有一些分区资源（数据库，消息流，文件存储，分布式Actor系统等），并需要决定将哪个分区分配给哪个节点时。当新节点加入集群时，需要将某些分区从现有节点移动到新节点，以便重新平衡负载（参阅“[重新平衡分区](ch6.md#重新平衡分区)”）。当节点被移除或失效时，其他节点需要接管失效节点的工作。
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另一个例子是，当你有一些分区资源（数据库，消息流，文件存储，分布式Actor系统等），并需要决定将哪个分区分配给哪个节点时。当新节点加入集群时，需要将某些分区从现有节点移动到新节点，以便重新平衡负载（参阅“[重新平衡分区](ch6.md#重新平衡分区)”）。当节点被移除或失效时，其他节点需要接管失效节点的工作。
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这类任务可以通过在ZooKeeper中明智地使用原子操作，临时节点与通知来实现。如果设计得当，这种方法允许应用自动从故障中恢复而无需人工干预。不过这并不容易，尽管已经有不少在ZooKeeper客户端API基础之上提供更高层工具的库，例如Apache Curator 【17】。但它仍然要比尝试从头实现必要的共识算法要好得多，这样的尝试鲜有成功记录【107】。
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这类任务可以通过在ZooKeeper中明智地使用原子操作，临时节点与通知来实现。如果设计得当，这种方法允许应用自动从故障中恢复而无需人工干预。不过这并不容易，尽管已经有不少在ZooKeeper客户端API基础之上提供更高层工具的库，例如Apache Curator 【17】。但它仍然要比尝试从头实现必要的共识算法要好得多，这样的尝试鲜有成功记录【107】。
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应用最初只能在单个节点上运行，但最终可能会增长到数千个节点。试图在如此之多的节点上进行多数投票将是非常低效的。相反，ZooKeeper在固定数量的节点（通常是三到五个）上运行，并在这些节点之间执行其多数票，同时支持潜在的大量客户端。因此，ZooKeeper提供了一种将协调节点（共识，操作排序和故障检测）的一些工作“外包”到外部服务的方式。
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应用最初只能在单个节点上运行，但最终可能会增长到数千个节点。试图在如此之多的节点上进行多数投票将是非常低效的。相反，ZooKeeper在固定数量的节点（通常是三到五个）上运行，并在这些节点之间执行其多数票，同时支持潜在的大量客户端。因此，ZooKeeper提供了一种将协调节点（共识，操作排序和故障检测）的一些工作“外包”到外部服务的方式。
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通常，由ZooKeeper管理的数据的类型变化十分缓慢：代表“分区 7 中的节点运行在 `10.1.1.23` 上”的信息可能会在几分钟或几小时的时间内发生变化。它不是用来存储应用程序的运行时状态的，每秒可能会改变数千甚至数百万次。如果应用程序状态需要从一个节点复制到另一个节点，则可以使用其他工具（如Apache BookKeeper 【108】）。
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通常，由ZooKeeper管理的数据的类型变化十分缓慢：代表“分区 7 中的节点运行在 `10.1.1.23` 上”的信息可能会在几分钟或几小时的时间内发生变化。它不是用来存储应用的运行时状态的，每秒可能会改变数千甚至数百万次。如果应用状态需要从一个节点复制到另一个节点，则可以使用其他工具（如Apache BookKeeper 【108】）。
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#### 服务发现
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ZooKeeper，etcd和Consul也经常用于服务发现——也就是找出你需要连接到哪个IP地址才能到达特定的服务。在云数据中心环境中，虚拟机连续来去常见，你通常不会事先知道服务的IP地址。相反，你可以配置你的服务，使其在启动时注册服务注册表中的网络端点，然后可以由其他服务找到它们。
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ZooKeeper，etcd和Consul也经常用于服务发现——也就是找出你需要连接到哪个IP地址才能到达特定的服务。在云数据中心环境中，虚拟机连续来去常见，你通常不会事先知道服务的IP地址。相反，你可以配置你的服务，使其在启动时注册服务注册表中的网络端点，然后可以由其他服务找到它们。
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但是，服务发现是否需要达成共识还不太清楚。 DNS是查找服务名称的IP地址的传统方式，它使用多层缓存来实现良好的性能和可用性。从DNS读取是绝对不线性一致性的，如果DNS查询的结果有点陈旧，通常不会有问题【109】。 DNS对网络中断的可靠性和可靠性更为重要。
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但是，服务发现是否需要达成共识还不太清楚。 DNS是查找服务名称的IP地址的传统方式，它使用多层缓存来实现良好的性能和可用性。从DNS读取是绝对不线性一致性的，如果DNS查询的结果有点陈旧，通常不会有问题【109】。 DNS对网络中断的可靠性和可靠性更为重要。
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尽管服务发现并不需要共识，但领导者选举却是如此。因此，如果你的共识系统已经知道领导是谁，那么也可以使用这些信息来帮助其他服务发现领导是谁。为此，一些共识系统支持只读缓存副本。这些副本异步接收共识算法所有决策的日志，但不主动参与投票。因此，它们能够提供不需要线性一致性的读取请求。
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尽管服务发现并不需要共识，但领导者选举却是如此。因此，如果你的共识系统已经知道领导是谁，那么也可以使用这些信息来帮助其他服务发现领导是谁。为此，一些共识系统支持只读缓存副本。这些副本异步接收共识算法所有决策的日志，但不主动参与投票。因此，它们能够提供不需要线性一致性的读取请求。
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#### 成员服务
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ZooKeeper和它的小伙伴们可以看作是成员服务研究的悠久历史的一部分，这个历史可以追溯到20世纪80年代，并且对建立高度可靠的系统（例如空中交通管制）非常重要【110】。
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成员资格服务确定哪些节点当前处于活动状态并且是群集的活动成员。正如我们在[第8章](ch8.md)中看到的那样，由于无限的网络延迟，无法可靠地检测到另一个节点是否发生故障。但是，如果你通过一致的方式进行故障检测，那么节点可以就哪些节点应该被认为是存在或不存在达成一致。
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即使它确实存在，仍然可能发生一个节点被共识错误地宣告死亡。但是对于一个系统来说，在哪些节点构成当前的成员关系方面是非常有用的。例如，选择领导者可能意味着简单地选择当前成员中编号最小的成员，但如果不同的节点对现有成员的成员有不同意见，则这种方法将不起作用。
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ZooKeeper和它的小伙伴们可以看作是成员服务研究的悠久历史的一部分，这个历史可以追溯到20世纪80年代，并且对建立高度可靠的系统（例如空中交通管制）非常重要【110】。
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成员资格服务确定哪些节点当前处于活动状态并且是群集的活动成员。正如我们在[第8章](ch8.md)中看到的那样，由于无限的网络延迟，无法可靠地检测到另一个节点是否发生故障。但是，如果你通过一致的方式进行故障检测，那么节点可以就哪些节点应该被认为是存在或不存在达成一致。
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即使它确实存在，仍然可能发生一个节点被共识错误地宣告死亡。但是对于一个系统来说，在哪些节点构成当前的成员关系方面是非常有用的。例如，选择领导者可能意味着简单地选择当前成员中编号最小的成员，但如果不同的节点对现有成员的成员有不同意见，则这种方法将不起作用。
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## 本章小结
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在本章中，我们从几个不同的角度审视了关于一致性与共识的话题。我们深入研究了线性一致性（一种流行的一致性模型）：其目标是使多副本数据看起来好像只有一个副本一样，并使其上所有操作都原子性地生效。虽然线性一致性因为简单易懂而很吸引人 —— 它使数据库表现的好像单线程程序中的一个变量一样，但它有着速度缓慢的缺点，特别是在网络延迟很大的环境中。
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在本章中，我们从几个不同的角度审视了关于一致性与共识的话题。我们深入研究了线性一致性（一种流行的一致性模型）：其目标是使多副本数据看起来好像只有一个副本一样，并使其上所有操作都原子性地生效。虽然线性一致性因为简单易懂而很吸引人 —— 它使数据库表现的好像单线程程序中的一个变量一样，但它有着速度缓慢的缺点，特别是在网络延迟很大的环境中。
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我们还探讨了因果性，因果性对系统中的事件施加了顺序（什么发生在什么之前，基于因与果）。与线性一致不同，线性一致性将所有操作放在单一的全序时间线中，因果一致性为我们提供了一个较弱的一致性模型：某些事件可以是**并发**的，所以版本历史就像是一条不断分叉与合并的时间线。因果一致性没有线性一致性的协调开销，而且对网络问题的敏感性要低得多。
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我们还探讨了因果性，因果性对系统中的事件施加了顺序（什么发生在什么之前，基于因与果）。与线性一致不同，线性一致性将所有操作放在单一的全序时间线中，因果一致性为我们提供了一个较弱的一致性模型：某些事件可以是**并发**的，所以版本历史就像是一条不断分叉与合并的时间线。因果一致性没有线性一致性的协调开销，而且对网络问题的敏感性要低得多。
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但即使捕获到因果顺序（例如使用兰伯特时间戳），我们发现有些事情也不能通过这种方式实现：在“[光有时间戳排序还不够](#光有时间戳排序还不够)”一节的例子中，我们需要确保用户名是唯一的，并拒绝同一用户名的其他并发注册。如果一个节点要通过注册，则需要知道其他的节点没有在并发抢注同一用户名的过程中。这个问题引领我们走向**共识**。
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但即使捕获到因果顺序（例如使用兰伯特时间戳），我们发现有些事情也不能通过这种方式实现：在“[光有时间戳排序还不够](#光有时间戳排序还不够)”一节的例子中，我们需要确保用户名是唯一的，并拒绝同一用户名的其他并发注册。如果一个节点要通过注册，则需要知道其他的节点没有在并发抢注同一用户名的过程中。这个问题引领我们走向**共识**。
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我们看到，达成共识意味着以这样一种方式决定某件事：所有节点一致同意所做决定，且这一决定不可撤销。通过深入挖掘，结果我们发现很广泛的一系列问题实际上都可以归结为共识问题，并且彼此等价（从这个意义上来讲，如果你有其中之一的解决方案，就可以轻易将它转换为其他问题的解决方案）。这些等价的问题包括：
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我们看到，达成共识意味着以这样一种方式决定某件事：所有节点一致同意所做决定，且这一决定不可撤销。通过深入挖掘，结果我们发现很广泛的一系列问题实际上都可以归结为共识问题，并且彼此等价（从这个意义上来讲，如果你有其中之一的解决方案，就可以轻易将它转换为其他问题的解决方案）。这些等价的问题包括：
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***线性一致性的CAS寄存器***
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@ -941,7 +941,7 @@ ZooKeeper和它的小伙伴们可以看作是成员服务研究的悠久历史
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如果你只有一个节点，或者你愿意将决策的权能分配给单个节点，所有这些事都很简单。这就是在单领导者数据库中发生的事情：所有决策权归属于领导者，这就是为什么这样的数据库能够提供线性一致的操作，唯一性约束，完全有序的复制日志，以及更多。
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但如果该领导者失效，或者如果网络中断导致领导者不可达，这样的系统就无法取得任何进展。应对这种情况可以有三种方法：
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但如果该领导者失效，或者如果网络中断导致领导者不可达，这样的系统就无法取得任何进展。应对这种情况可以有三种方法：
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1. 等待领导者恢复，接受系统将在这段时间阻塞的事实。许多XA/JTA事务协调者选择这个选项。这种方法并不能完全达成共识，因为它不能满足**终止**属性的要求：如果领导者续命失败，系统可能会永久阻塞。
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2. 人工故障切换，让人类选择一个新的领导者节点，并重新配置系统使之生效，许多关系型数据库都采用这种方方式。这是一种来自“天意”的共识 —— 由计算机系统之外的运维人员做出决定。故障切换的速度受到人类行动速度的限制，通常要比计算机慢（得多）。
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@ -949,13 +949,13 @@ ZooKeeper和它的小伙伴们可以看作是成员服务研究的悠久历史
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尽管单领导者数据库可以提供线性一致性，且无需对每个写操作都执行共识算法，但共识对于保持及变更领导权仍然是必须的。因此从某种意义上说，使用单个领导者不过是“缓兵之计”：共识仍然是需要的，只是在另一个地方，而且没那么频繁。好消息是，容错的共识算法与容错的共识系统是存在的，我们在本章中简要地讨论了它们。
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像ZooKeeper这样的工具为应用提供了“外包”的共识、故障检测和成员服务。它们扮演了重要的角色，虽说使用不易，但总比自己去开发一个能经受[第8章](ch8.md)中所有问题考验的算法要好得多。如果你发现自己想要解决的问题可以归结为共识，并且希望它能容错，使用一个类似ZooKeeper的东西是明智之举。
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像ZooKeeper这样的工具为应用提供了“外包”的共识、故障检测和成员服务。它们扮演了重要的角色，虽说使用不易，但总比自己去开发一个能经受[第8章](ch8.md)中所有问题考验的算法要好得多。如果你发现自己想要解决的问题可以归结为共识，并且希望它能容错，使用一个类似ZooKeeper的东西是明智之举。
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尽管如此，并不是所有系统都需要共识：例如，无领导者复制和多领导者复制系统通常不会使用全局的共识。这些系统中出现的冲突（参见“[处理冲突](ch5.md#处理冲突)”）正是不同领导者之间没有达成共识的结果，但也这并没有关系：也许我们只是需要接受没有线性一致性的事实，并学会更好地与具有分支与合并版本历史的数据打交道。
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尽管如此，并不是所有系统都需要共识：例如，无领导者复制和多领导者复制系统通常不会使用全局的共识。这些系统中出现的冲突（参见“[处理冲突](ch5.md#处理冲突)”）正是不同领导者之间没有达成共识的结果，但也这并没有关系：也许我们只是需要接受没有线性一致性的事实，并学会更好地与具有分支与合并版本历史的数据打交道。
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本章引用了大量关于分布式系统理论的研究。虽然理论论文和证明并不总是容易理解，有时也会做出不切实际的假设，但它们对于指导这一领域的实践有着极其重要的价值：它们帮助我们推理什么可以做，什么不可以做，帮助我们找到反直觉的分布式系统缺陷。如果你有时间，这些参考资料值得探索。
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本章引用了大量关于分布式系统理论的研究。虽然理论论文和证明并不总是容易理解，有时也会做出不切实际的假设，但它们对于指导这一领域的实践有着极其重要的价值：它们帮助我们推理什么可以做，什么不可以做，帮助我们找到反直觉的分布式系统缺陷。如果你有时间，这些参考资料值得探索。
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这里已经到了本书[第二部分](part-ii.md)的末尾，第二部介绍了复制（[第5章](ch5.md)），分区（[第6章](ch6.md)），事务（[第7章](ch7.md)），分布式系统的故障模型（[第8章](ch8.md)）以及最后的一致性与共识（[第9章](ch9.md)）。现在我们已经奠定了扎实的理论基础，我们将在[第三部分](part-iii.md)再次转向更实际的系统，并讨论如何使用异构的组件积木块构建强大的应用。
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这里已经到了本书[第二部分](part-ii.md)的末尾，第二部介绍了复制（[第5章](ch5.md)），分区（[第6章](ch6.md)），事务（[第7章](ch7.md)），分布式系统的故障模型（[第8章](ch8.md)）以及最后的一致性与共识（[第9章](ch9.md)）。现在我们已经奠定了扎实的理论基础，我们将在[第三部分](part-iii.md)再次转向更实际的系统，并讨论如何使用异构的组件积木块构建强大的应用。
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