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 一.寫在前面

分布式系統(tǒng)一致性專題本期該寫 3PC 協(xié)議了，上周太忙沒有時間更新，就拿了之前的舊文章做了一些調(diào)整重發(fā)了一下，還望各位讀者海涵。后面大約還有3期：Paxos 協(xié)議、Raft 協(xié)議等，先預(yù)熱一下。溫馨提示：本篇文章并不會枯燥，換了個畫圖工具，對于我這種建筑專業(yè)出身的IT狗來說，畫圖簡直是最開心的事情了，所以放心看吧!

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圖(網(wǎng)絡(luò))|獵戶座大星云

二.3PC的出現(xiàn)

之前文章中提到了 2PC 協(xié)議存在的協(xié)調(diào)者單點、參與者阻塞超時、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)、容錯性等問題，這些在某些程度上是做優(yōu)化和調(diào)整的，并不是致命問題。我們對 2PC 協(xié)議的異常情況做了拆解，但是那是個m*n的組合問題，我們盡量去分析主要矛盾，于是發(fā)現(xiàn)在協(xié)調(diào)者和唯一接收指令的參與者都出現(xiàn)不可恢復(fù)宕機時，即使后面選舉了新的協(xié)調(diào)者，仍然可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不一致性。3PC 的出現(xiàn)可能是多種因素促成的。但是基本上可以確定 3PC 將對 2PC 存在的問題進行修正和優(yōu)化，但是這樣并不意味著 3PC 不會引入新的問題。本文將從 3PC 的協(xié)議過程來闡述這兩大塊內(nèi)容:

三. 3PC協(xié)議的基本過程

3PC協(xié)議 Three-Phase-Commit 又稱三階段提交協(xié)議，相比 2PC 協(xié)議增加了一個階段，因此我們普遍把 3PC 協(xié)議看作是 2PC 協(xié)議的改進版本。3PC 協(xié)議將 2PC 協(xié)議的準備階段一分為二，從而形成了三個階段：

協(xié)調(diào)者和參與者等待超時情況單獨說，先看正常情況的基本過程，要不然容易混淆。

3.1 CanCommit階段

在2PC準備階段中，協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送指令后，參與者如果具備執(zhí)行條件，則獲取鎖并執(zhí)行動作，只不過未真正提交，可以認為參與者就差臨門一腳了，還得等協(xié)調(diào)者信號。如果是 commit 信號那還好，如果是 rollback 信號，那么對于一些本地執(zhí)行了動作的參與者來說白白浪費了，所以從這個角度來說，2PC 有點激進了，但是這么做也是有原因的，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中多一輪交互意味著性能的損耗。3PC來說更加合理，先由協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送詢問信號，兄弟們有檔期嗎??然后開始收集反饋，相比來說更加輕量。這個階段參與者并不真實獲取鎖占用資源，只是對自身執(zhí)行事務(wù)狀態(tài)的檢查，查看是否具備執(zhí)行事務(wù)的條件，進而回復(fù)詢問。

根據(jù)參與者對詢問的反饋，在 CanCommit 階段可能出現(xiàn)的兩情況：

A.所有參與者均Ready的場景

圖:詢問階段所有參與者均具備執(zhí)行事務(wù)條件

B.存在參與者不OK的場景

圖:詢問階段存在不具備條件的參與者

3.2 PreCommit階段

第二個階段的具體動作取決于第一個階段的結(jié)果，因此可以分為兩種情況：

• CanCommit階段一致通過

在第一階段所有參與者都 Ready，那么協(xié)調(diào)者就會向參與者發(fā)送本地執(zhí)行的相關(guān)指令，這部分和 2PC 的第一階段非常相似，參與者收到指令后進行本地事務(wù)執(zhí)行，并記錄日志，并且對處理結(jié)果反饋到協(xié)調(diào)者，來做決策。過程中參與者可能成功或者失敗，出現(xiàn)了兩種情況：

圖：PreCommit階段參與者均反饋成功

圖：PreCommit階段參與者中存在失敗實例

CanCommit階段存在分歧

在第一階段如果存在參與者不 Ready 的情況，那么協(xié)調(diào)者就會發(fā)送信號給所有參與者，告知本次事務(wù)取消了，該干啥干啥吧，對參與者來說損失并不大，因為本質(zhì)上參與者并沒有做什么事情。

3.3 DoCommit階段

這是 3PC 的第三個階段和2PC的第二個階段類似，同樣的 DoCommit 執(zhí)行具體動作取決于第二階段 PreCommit 的結(jié)果，因此仍然分為兩種情況：

• PreCommit階段一致通過

在 PreCommit 之后參與者全部完成本地事務(wù)執(zhí)行但是沒有提交，并且都給協(xié)調(diào)者 ACK 回復(fù)，這時協(xié)調(diào)者認為萬事俱備只欠東風(fēng)了，在 DoCommit 階段協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送提交指令，參與者收到之后開始執(zhí)行本地提交，并反饋結(jié)果，最終完成這次事務(wù)，Cool!

• PreCommit階段存在分歧

協(xié)調(diào)者在第二個階段 PreCommit 收到參與者的反饋后，發(fā)現(xiàn)存在部分參與者無法執(zhí)行事務(wù)的情況，這時就決定告訴其他參與者本地回滾，釋放資源，取消本次事務(wù)。

四. 3PC中的超時策略

我們前面提到 3PC 要解決 2PC 的參與者阻塞超時問題，在2PC中參與者比較癡情，協(xié)調(diào)者不給信號會長時間阻塞，不釋放資源，這樣別人也沒法處理其他事情，確實不太好，看來 2PC 還是太依賴協(xié)調(diào)者了。3PC 認為網(wǎng)絡(luò)超時是普遍發(fā)生的情況，如果參與者在一種大概率確定的狀態(tài)下執(zhí)行一些動作也是被允許的，將在外軍令有所不受。3PC 的超時處理可能發(fā)生在 PreCommit 和 DoCommit 階段，來看個圖：

參與者等待 PreCommit 超時

協(xié)調(diào)者和參與者之間可能存在較大的網(wǎng)絡(luò)延時，或者協(xié)調(diào)者出現(xiàn)故障，或者出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)等情況，參與者并不會傻等，在超過設(shè)定時間之后，參與者就繼續(xù)做之前的事情了，因為好像被大哥鴿了，只能該干啥干啥，這也是正確的決策。

參與者等待 DoCommit 超時

在 CanCommit 和 PreCommit 之后，參與者認為大家都對齊了都是棒棒的，如果參與者在設(shè)定時間內(nèi)并沒有收到協(xié)調(diào)者的 DoCommit 指令，那么就本地執(zhí)行提交完成這次事務(wù)，因為參與者揣測大哥的意思大概率也是讓我們提交，干等著也不是辦法，回滾可能和大家不一樣，抉擇之下參與者選擇提交事務(wù)。

協(xié)調(diào)者等待反饋超時

3PC協(xié)調(diào)者的等待超時處理和2PC基本上是一樣的，無論在哪個階段超時都認為不具備條件，進行 abort 或者 rollback 操作，這個非常好理解。

可以看到3PC協(xié)議中參與者不再過度依賴協(xié)調(diào)者的指令信號，而是有了自己的相對獨立性，可以根據(jù)當前所處的狀態(tài)來進行自我決策。避免了2PC中的阻塞等待帶來的資源浪費情況，確實是個不錯的優(yōu)化，但是我們并不能完全保證這種優(yōu)化就都是完全正確的呀!換句話說3PC解決了2PC的bug，但是不代表3PC沒有引入新的bug。

五. 3PC協(xié)議的一些分析

前面我們說到3PC協(xié)議的一個重要作用就是要對2PC協(xié)議的改進和優(yōu)化，從上面的過程分析可知確實做了一些優(yōu)化，但是仍然不可避免出現(xiàn)了新的問題。

5.1 3PC的數(shù)據(jù)不一致問題

2PC協(xié)議在某些場景下數(shù)據(jù)不一致問題，那么3PC有沒有這種問題呢?答案是有，根源是新加的參與者超時機制。比如參與者A因為自身網(wǎng)絡(luò)問題，在設(shè)定時間內(nèi)未收到協(xié)調(diào)者的信號，這時參與者A基于之前的狀態(tài)執(zhí)行了Commit操作，提交了事務(wù)，這種情況確實會發(fā)生，根據(jù)真實的協(xié)調(diào)者信號是commit還是rollback會出現(xiàn)不同的結(jié)果。

如果協(xié)調(diào)者發(fā)送的是Commit指令，就和參與者A獨自決策結(jié)果一致，沒啥問題。如果協(xié)調(diào)者在DoCommit階段發(fā)送的是rollback指令，那么超時的參與者A由于執(zhí)行了本地事務(wù)提交，從而和其他收到指令執(zhí)行rollback的參與者的數(shù)據(jù)不一致。

5.2 決策狀態(tài)的對齊

我們知道2PC協(xié)議的決策結(jié)果初始階段只有決策者知道，只有在它發(fā)送了決策解決才有參與者知道，這樣就存在決策結(jié)果丟失的情況。假如協(xié)調(diào)者掛掉，新協(xié)調(diào)者可以咨詢所有的參與者來確定決策狀態(tài)，根據(jù)所有參與者的情況來確定，但是萬一真理掌握在少數(shù)人手中呢?

極端情況：

假如有10個參與者，9個都是正常的，1個狀態(tài)未知(先叫做A吧)，10個參與者都向協(xié)調(diào)者發(fā)送了反饋，如果A反饋的是Not Ready信號，其他9個都是Ready信號。協(xié)調(diào)者匯總結(jié)果決策出不具備執(zhí)行條件，開始向所有參與者發(fā)送rollback，恰好第一個收到信號的是A機器，協(xié)調(diào)者掛了，A收到信號后也掛了。新的協(xié)調(diào)者詢問了其余9個都是OK，新的協(xié)調(diào)者就認為具備條件了從而發(fā)送Commit信號，這樣就出現(xiàn)了不一致。

腦洞大開：

這個過程和清宮劇中皇帝立儲很像嘛，皇帝把結(jié)果掛在朝堂的牌匾之上，假定詔書消失了且皇帝掛了，那么結(jié)果就不得而知了，智囊團在沒有私心的前提下就需要考察所有的侯選人的情況來確定，這樣就可能出現(xiàn)不一致。

決策透明化：

在3PC中仍然存在只有1臺機器收到指令然后掛掉的情況，但是如果出現(xiàn)在前置階段，對整個結(jié)果是沒有影響的，因為會被取消并且參與者并沒有本地執(zhí)行。

現(xiàn)在看3PC的思想是把做重大動作時的決策結(jié)果透明化統(tǒng)一化，產(chǎn)生的影響也就非常小了，因此PreCommit階段的狀態(tài)是明確的。

我們需要把決策結(jié)果透明化，讓所有參與者都知道決策結(jié)果，3PC的PreCommit階段對齊了結(jié)果，只要有1臺還活著，整個事務(wù)的狀態(tài)就是確定的，畢竟所有參與者全掛的情況概率非常低。

六.小結(jié)

3PC協(xié)議是對2PC協(xié)議的優(yōu)化和改進，通過將2PC的準備階段一分為二：CanCommit和PreCommit，整個過程中下一階段的流轉(zhuǎn)要取決于上一個階段的結(jié)果，流轉(zhuǎn)簡圖：

經(jīng)過CanCommit和PreCommit階段后，參與者之間對齊并保留了決策結(jié)果，避免2PC協(xié)議極端情況決策結(jié)果的錯誤缺失，是個比較好的做法。

2PC協(xié)議只有協(xié)調(diào)者有超時機制，3PC協(xié)議對參與者也引入了超時機制，在不同的階段進行不同的超時處理，但是由于網(wǎng)絡(luò)波動和網(wǎng)絡(luò)分區(qū)存在讓參與者的超時處理帶來新的不確定性，甚至可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致。

3PC協(xié)議增加一輪詢問階段所以整個交互過程比2PC更長了，性能相比2PC是會有一些下降的，但是3PC協(xié)議對于網(wǎng)絡(luò)分區(qū)等情況也并沒有處理地很好。

總體來說，3PC相比2PC做了很多改進有一定的效果，但是仍然存在數(shù)據(jù)不一致問題，還需繼續(xù)努力。