分布式系统与一致性

√ 全面覆盖文件、存储、消息、数据库、协调服务、一致性实现原理、算法的分布式架构设计宝典。

√ 十余年经验资深架构专家讲述分布式技术核心一致性理论，更精心组织、剖析业界前沿系统案例。

√ 饿了么KV数据库开发负责人现身实战解密“高并发可扩展分布式系统设计”带来的一一致性难题。

√ 面向大型分布式系统构建，深入剖析重要的一致性特性，将晦涩理论融入实际案例使其浅显易读。

一致性是非常重要的分布式技术。众所周知，分布式系统有很多特性，如可用性、可靠性等，这些特性多多少少会与一致性产生关系，受到一致性的影响。要全面研究、掌握分布式技术，一致性是绕不开的一个话题，也是最难解决的一个问题。本书主要介绍GFS、HDFS、BigTable、MongoDB、RabbitMQ、ZooKeeper、Spanner、CockroachDB系统与一致性有关的实现细节，以及非常重要的Paxos、Raft、Zab分布式算法；本书还介绍了事务一致性与隔离级别、顺序一致性、线性一致性与强一致性相关内容，以及架构设计中的权衡等。

从分布式技术的角度来说，本书讲解了分布式领域比较高阶的内容，但是从分布式一致性的角度来说，本书仍然是一致性的入门书。

陈东明: 饿了么北京技术中心架构组负责人,负责饿了么的产品线架构设计以及基础架构研发工作,主导开发eleme key-value数据库。曾任百度架构师负责百度即时通讯产品的架构设计。具有丰富的大规模系统构建和基础架构的硏发经验,善于复杂业务需求下的大并发、分布式系统设计和持续优化。

为应对海量用户及复杂业务场景带来的大流量，高并发，高可用需求，分布式架构的引入使得一致性成为系统设计要考虑的核心问题。本书涵盖了分布式系统设计的需求起源，常用的分布式文件、存储、消息、数据库、协调服务及一致性实现原理、算法，各级别开发人员都可以从原理、架构设计、实战等多层面获取营养，堪称分布式系统宝典。

—— 艾晓刚 前智联招聘研发高级总监

如何设计一个高并发、可扩展的分布式系统，是摆在每一名系统架构师和互联网技术人员面前的课题。如果你想快速领略到分布式系统设计中的核心问题，那么，这本书绝对适合你。本书作者陈东明老师，用十余年的架构设计经验，讲述了分布式系统最核心的一致性理论，以及业界最前沿的系统案例剖析。本书将理论和实践结合起来，是一本值得反复咀嚼的技术好书。

——张铁蕾，知名博主，微信同名公众号作者

分布式系统的一致性问题是分布式领域的一个难题。如果正确的理解一致性对如何正确的设计一个分布式系统至关重要。东明曾经负责过饿了么KV数据库的开发，在此过程中深入理解了一致性并且应用在实际的项目中。本书不但在理论上介绍了一致性的原理和算法，还通过丰富的案例讲述了一致性在分布式系统中的实现。精读本书必定在分布式系统领域的工作大有裨益。

李双涛 饿了么前高级架构师、中华珍宝馆创始人

多年从事基础技术平台的工作，深知分布式系统对构建大型分布式系统的重要性。本书从理论和实际应用两个方面分别阐述了分布式系统一致性这个重要特性。本书讲述的深入浅出，虽然讲述了比较晦涩的理论，但是佐以实际案例就变得容易理解。相信本书对互联网的技术从业者，特别是从事后端技术平台工作者，有很高的参考价值。

——诸超 国美零售技术VP

第1部分　开 篇

第1章 分布式系统的核心特性：一致性 2

1.1 拆分是解决大规模应用的本质 2

1.2 分布式技术是大规模应用的最后一个考验 4

1.3 一致性是这个考验的核心 6

第2部分　系统案例

第2章 Google的文件系统 8

2.1 GFS的外部接口和架构 8

2.1.1 GFS的外部接口 8

2.1.2 GFS的架构 9

2.2 GFS的写流程细节 11

2.2.1 名字空间管理和锁保护 11

2.2.2 租约 11

2.2.3 变更及变更次序 11

2.3 GFS的原子性 13

2.3.1 write和record append的区别 13

2.3.2 GFS中原子性的含义 14

2.3.3 GFS中多副本之间不具有原子性 15

2.4 GFS的松弛一致性 15

2.4.1 元数据的一致性 15

2.4.2 文件数据的一致性 15

2.4.3 适应GFS的松弛一致性 16

2.4.4 GFS的设计哲学 17

第3章 开源的文件系统HDFS 19

3.1 HDFS的外部接口和架构 19

3.1.1 HDFS的外部接口 19

3.1.2 HDFS的架构 20

3.2 HDFS的写流程细节 21

3.2.1 打开文件 22

3.2.2 pipeline写入 22

3.2.3 上报block状态 24

3.2.4 关闭文件 24

3.2.5 DN定期上报信息 24

3.3 HDFS的错误处理 25

3.3.1 DN的错误 25

3.3.2 NN的错误 26

3.3.3 客户端的错误 26

第4章 Google的BigTable系统 30

4.1 BigTable的外部接口和架构 30

4.1.1 表 30

4.1.2 数据 31

4.1.3 原子性 32

4.1.4 时间戳 32

4.1.5 BigTable的数据模型 33

4.1.6 BigTable的架构 34

4.2 BigTable的实现 35

4.2.1 tablet location 35

4.2.2 tablet的指派 36

4.2.3 加载tablet 36

4.2.4 tablet的读/写操作 37

4.2.5 合并 38

第5章 文档数据库MongoDB 39

5.1 MongoDB的外部接口和架构 39

5.1.1 MongoDB的基本概念 39

5.1.2 MongoDB的架构 39

5.2 MongoDB的standalone模式 40

5.2.1 MongoDB的写入过程 40

5.2.2 无确认导致的丢失更新异常 40

5.2.3 未持久化导致的丢失更新异常 41

5.3 MongoDB的replica set模式 42

5.3.1 MongoDB的复制过程 43

5.3.2 无副本确认导致的丢失更新异常 44

5.3.3 不正确选主导致的丢失更新异常 45

5.3.4 脑裂导致的丢失更新异常 47

5.3.5 缺失任期信息导致的丢失更新异常 48

5.3.6 脏读异常 51

5.3.7 陈旧读异常 52

第6章 消息系统RabbitMQ 54

6.1 RabbitMQ简述 54

6.1.1 关于broker 54

6.1.2 RabbitMQ的接口 55

6.1.3 镜像队列 55

6.2 RabbitMQ的基本实现 55

6.2.1 镜像复制 55

6.2.2 镜像加入队列 56

6.2.3 镜像同步过程 56

6.3 master切换及RabbitMQ的异常处理 57

6.3.1 意外宕机后的master切换 57

6.3.2 主动运维后的master切换 57

6.3.3 意外宕机与主动运维的默认行为差异 58

6.3.4 网络分区后的master切换 58

6.4 确认机制 59

第7章 协调服务ZooKeeper 60

7.1 协调服务的应用场景 60

7.2 ZooKeeper简述 61

7.2.1 ZooKeeper的数据模型 61

7.2.2 ZooKeeper的外部接口 62

7.2.3 ZooKeeper的架构 63

7.3 ZooKeeper的实现细节 65

7.3.1 客户端异步处理 65

7.3.2 请求处理器 65

7.3.3 原子广播 67

第8章 Google的Spanner数据库 69

8.1 Spanner的数据模型 69

8.2 Spanner的架构 72

8.3 Spanner的实现 73

8.4 TrueTime的作用 81

第9章 分布式数据库CockroachDB 86

9.1 CockroachDB的接口和数据模型 86

9.2 CockroachDB的架构 87

9.3 元数据存储的实现 88

9.4 多副本存储的实现 90

9.5 事务的实现 92

第3部分　分布式算法

第10章 共识算法Paxos 108

10.1 Paxos的历史 108

10.2 Consensus vs Paxos 110

10.3 Basic Paxos算法 111

10.4 Multi Paxos 算法 132

10.5 复制状态机 144

10.6 Paxos算法与复制状态机 146

10.7 原子广播 148

10.8 Paxos算法与原子广播 149

第11章 复制日志算法Raft 152

11.1 Raft是复制日志的算法 152

11.2 Raft算法的组成 153

11.3 复制过程 153

11.4 选举过程 154

11.5 异常处理 157

第12章 原子广播算法Zab 163

12.1 Zab算法简述 163

12.2 各版本Zab算法的共有部分 164

12.3 设计的Zab算法 172

12.4 Zab Pre 1.0算法 177

12.5 Zab 1.0算法 179

第4部分　一 致 性

第13章 事务一致性与隔离级别 184

13.1 ANSI的隔离级别 185

13.2 SI和SSI隔离级别 190

第14章 顺序一致性 193

14.1 顺序一致性的正式定义 193

14.2 理解顺序一致性 202

14.3 顺序一致性的其他描述 204

14.4 顺序一致性的作用 206

第15章 线性一致性与强一致性 210

15.1 什么是线性一致性 210

15.2 判断系统是否满足线性一致性 213

15.3 对线性一致性的理解与强一致性 216

15.4 ZooKeeper的一致性分析 219

第16章 架构设计中的权衡 225

16.1 什么是CAP定理 225

16.2 关于CAP定理的错误理解 228

16.3 CAP中的权衡 230

16.4 进一步权衡：HAT和PACELC 231

前 言

我对一致性的研究起源于一段负责基础架构的工作经历，当时负责公司的ZooKeeper事宜，所以对ZooKeeper进行了比较深入的研究。我在阅读ZooKeeper的官方文档和与ZooKeeper相关的论文时，看到了顺序一致性和线性一致性。在此之前的工作中，我凭借多年的工作经验，每当遇到陌生的概念时，基本上都可以望文生义，很快就能体会到其中的含义。但顺序一致性和线性一致性却成了我的反例，很长时间都没有搞清楚其含义。在此之后，我在负责公司自研的一个key-value数据库时，参考了Google公司的Spanner系统，在深入研究Spanner系统时，发现该系统中也存在线性一致性的概念。所以我开始系统地研究顺序一致性和线性一致性，从而进入分布式系统一致性的领域。

在研究过程中我发现，行业内还没有一本能够理论联系实际、系统化讲解分布式系统一致性的著作。当前讲系统一致性的文献往往专注于理论的定义，而分布式系统的官方文档和相关著作对一致性又往往都是简单地一笔带过。因此，我萌生了一个想法：写一本既有实际例证又有理论定义的一致性方面的书，也就是《分布式存储与一致性》这本书。本书讲解8个分布式系统，主要关注这些系统与一致性相关的实现，并对其中一些分布式系统中用到的关键的分布式算法做了详细的讲解，力争做到把分布式系统的一致性相关内容讲透。最后再介绍几个关于一致性的理论定义，并且结合前面的实例加以分析。

在实际的工作中，一致性往往没有受到重视，行业从业人员将更多的精力放在了可用性、性能等分布式系统的特性上。的确，从所带来的影响和出现的概率上讲，可用性和性能导致的问题更大一些。而一致性问题更隐蔽，出现的概率也比较小，并且往往能通过一些简单的手段解决掉，导致对一致性的要求不是那么强烈。甚至在某些应用场景下，一致性问题是用户可以接受的。

但是，一致性仍然是非常重要的分布式技术。众所周知，分布式系统有很多特性，如可用性、可靠性、性能等，这些特性多多少少会与一致性产生关系，受到一致性的影响。要全面研究、掌握分布式技术，一致性是绕不开的一个话题，也是最难解决的一个问题。

行业内部对一致性的讨论比较少，导致很多从业者对一致性的理解比较片面，这也是因为一致性其实是非常复杂、难懂的概念，甚至有些从业者对一致性以及一致性相关理论的理解有些偏差。本书力争对一致性给出一个全面的介绍。

本书仅仅讲解分布式系统的一致性的一部分内容，也是在实际的工作中可能遇到的内容，还有很大一部分本书没有涉及——本书仅讲解7种一致性模型，但笔者所知的一致性模型就有50多种。分布式领域专家对一致性进行的非常深入的研究，本书不能完全覆盖。此外，虽然本书讲解了Spanner、CockroachDB这样的分布式系统，但是对分布式系统领域与数据库领域的交汇点，也就是分布式数据库的讲解仍然不够全面，全面的讲解需要额外阐述数据库领域的很多内容，而这些内容并未包含在本书之中，读者需要另行查看其他相关资料。

本书主要面对有志进入分布式领域或者进入分布式领域不长时间的初学者。如果你是分布式领域的老手，已经读过或研究过各种分布式系统的经典著作和典型系统，那么本书讲解的内容可能都是你熟知的。但是本书仍然有一定的阅读要求，特别是对涉及数据库领域的相关内容，铺垫较少，有一定的阅读难度。从分布式技术的角度来说，本书讲解了分布式领域比较高阶的内容，但是从分布式一致性的角度来说，本书仍然是一致性的入门书籍。

本书中对重要的概念或者定义采用黑体书写，并且在可能的情况下，同时在概念后面的圆括号中给出其英文名称，方便读者以后在扩展阅读英文文献时可以准确地建立对应关系。在之后的内容中，如果这个概念在中文材料中已经被广泛接受并且使用，则会使用其中文名称；否则，为了不产生歧义，会使用其英文名称。

本书主要讲解的是计算机技术理论，这需要较长时间的沉淀和准备，而成书比较仓促，加之一致性是分布式系统的核心特性，涉及面又比较广阔，错误之处在所难免，希望各位读者给予指正。