分布式系统 - 基础

分布式系统基础

A distributed system is one in which the failure of a computer you didn’t even know existed can render your own computer unusable. -- Leslie Lamport

分布式系统的挑战

协作模式

多台机器之间如何协作是非常重要的，选择主从模式、对等模式还是其他协作方式，直接决定了系统最后的运行效率。

数据一致性

单体架构中，数据的存储、读取和计算等都在一处，处理起来很方便，但在分布式架构中，会有多处进行数据处理，那如何保证服务器间数据在同一时刻是一致的、客户端读取的都是最新结果？

效率问题

限制效率的因素有很多，除了跨机房、跨地域的分布式架构自带的物理限制，还有节点规模越来越大而带来的沟通效率等问题。

分布式互斥

集中式算法

我们引入一个协调者程序，得到一个分布式互斥算法。每个程序在需要访问临界资源时，先给协调者发送一个请求。如果当前没有程序使用这个资源，协调者直接授权请求程序访问; 否则，按照先来后到的顺序为请求程序“排一个号”。如果有程序使用完资源，则通知协调者，协调者从“排号”的队列里取出排在最前面的请求，并给它发送授权消息。拿到授权消息的程序，可以直接去访问临界资源。

一个程序完成一次临界资源访问，需要如下几个流程和消息交互:

向协调者发送请求授权信息，1 次消息交互;
协调者向程序发放授权信息，1 次消息交互;
程序使用完临界资源后，向协调者发送释放授权，1 次消息交互。

当一个程序要访问临界资源时，先向系统中的其他程序发送一条请求消息，在接收到所有程序返回的同意消息后，才可以访问临界资源。其中，请求消息需要包含所请求的资源、请求者的 ID，以及发起请求的时间。这就是民主协商法。在分布式领域中，我们称之为分布式算法，或者使用组播和逻辑时钟的算法。如图所示，程序 1、2、3 需要访问共享资源 A。在时间戳为 8 的时刻，程序 1 想要使用资源 A，于是向程序 2 和 3 发起使用资源 A 的申请，希望得到它们的同意。在时间戳为 12 的时刻，程序 3 想要使用资源 A，于是向程序 1 和 2 发起访问资源 A 的请求。

一个程序完成一次临界资源的访问，需要进行如下的信息交互:

向其他 n-1 个程序发送访问临界资源的请求，总共需要 n-1 次消息交互;
需要接收到其他 n-1 个程序回复的同意消息，方可访问资源，总共需要 n-1 次消息交互。(或者收到大于（n-1）/2的消息时，即可访问资源)

令牌环算法

所有程序构成一个环结构，令牌按照顺时针(或逆时针)方向在程序之间传递，收到令牌的程序有权访问临界资源，访问完成后将令牌传送到下一个程序; 若该程序不需要访问临界资源，则直接把令牌传送给下一个程序。在分布式领域，这个算法叫作令牌环算法，也可以叫作基于环的算法。

因为在使用临界资源前，不需要像分布式算法那样挨个征求其他程序的意见了，所以相对而言，在令牌环算法里单个程序具有更高的通信效率。同时，在一个周期内，每个程序都能访问到临界资源，因此令牌环算法的公平性很好。但是，不管环中的程序是否想要访问资源，都需要接收并传递令牌，所以也会带来一些无效通信。假设系统中有 100 个程序，那么程序 1 访问完资源后，即使其它 99 个程序不需要访问，也必须要等令牌在其他 99 个程序传递完后，才能重新访问资源，这就降低了系统的实时性。

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