Zookeeper的一致性原理

本篇內容介紹了“Zookeeper的一致性原理”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

Zookeeper 是最終一致性的，由于多副本，以及保證大多數成功的 Zab 協議，當一個客戶端進程寫入一個新值，另一個客戶端進程不能保證馬上就會讀到，但能保證最終會讀到這個值。

Zookeeper 的 Zab 協議類似于 Paxos 協議，并且提供了強一致性。

每當聽到這兩種說法，我都想糾正一下。Zookeeper 是順序一致性（Sequential Consistency）的，但解釋起來比較復雜，下面和大家一起討論下我的看法。

什么是 Sequetial Consistency

從 Zookeeper 的文檔中我們可以看到，里面明確寫出它的一致性是 Sequential Consistency。

那么，什么是 Sequential Consistency 呢？

Sequential Consistency 是 Lamport 在 1979 年***提出的。論文中定義，當滿足下面這個條件時就是 Sequential Consistency：

the result of any execution is the same as if the operations of all the processors were executed in some sequential order, and the operations of each individual processor appear in this sequence in the order specified by its program.

這段英文定義很晦澀，這是 Lamport 大神的一貫風格，嚴謹但晦澀，Paxos 協議也是如此。

我***次看到時的感覺是：“這是什么鬼？”為啥每個英文單詞我都認識，但就是不知道他在說什么？

我們先看看這篇論文的標題和定義中出現的一個關鍵詞，來說明一下 Sequential Consistency 的應用范圍。

論文的標題和定義中包含“multiprocessor”這個詞，multiprocessor 是多核處理器的意思。

從這個關鍵字來看，Sequential Consistency 是用來定義多核處理器和跑在多核處理器上的程序的一個特性。

Lamport 這篇論文的標題可以翻譯成：“如何讓具有多核處理器的計算機正確執行多進程程序”。

也就是說如果一個多核處理器具有 Sequential Consistency 的特性，這個多核處理器就可以正確運行，后面我會解釋這個正確運行是什么意思（也就是本文后面講到的 Sequential Consistency 的作用）。

從這個標題我們還可以看出，Sequential Consistency 應該是個并發編程（Concurrent Programming）領域的概念。

但我們現在常常在分布式系統領域討論 Sequential Consistency，比如本文主要討論的 Zookeeper（Zookeeper 很明顯是一個分布式系統）的一致性。

實際上，多核處理器上運行的多個程序，其實也是一種分布式系統（Lamport在他的這篇 Time，Clocks，and the Ordering of Events in a Distributed System 分布式系統的開山之作中也闡述了這個觀點）。

所以雖然 Sequential Consistency 最早在并發編程中提出，但是它可以應用在分布式系統中，比如本文討論的 Zookeeper 這種分布式存儲系統。

另外一個比較重要的 Linearizability（線性一致性），也是在并發編程中最早提出的，目前也被廣泛應用在分布式系統領域中。

接下來我們嘗試翻譯一下上文那段晦澀的定義，做這段翻譯讓我找到了上學時做閱讀理解的感覺。

我先不直接翻譯，因為就算我把它翻譯成中文，估計很多人還是會有“為啥每個中文字我都懂，還是不知道在說什么”的感覺。

首先，我來解釋一下個別的詞。首先，“any execution”是什么意思？你有多個程序（Program）在多核處理器上運行，例如你有兩個程序。

***個程序叫 P1，它的代碼如下：

P1_write(x); P1_read(y);

第二個程序叫 P2，代碼如下：

P2_write(u); P2_read(v);

從理論上來講，兩個程序運行在兩個獨立處理器的核上，有多少種執行的可能？我列舉其中幾種來舉例說明。

***種：

P1---write(x)--------read(y)-------- P2-----------write(u)-------read(v)-

第二種：

P1----------write(x)-read(y)-------- P2--write(u)----------------read(v)-

第三種：

P1---read(y)----------write(x)------ P2-----------write(u)---------read(v)-

我們有 24 種可能的執行順序，也就是這四個操作任意的排列組合，也就是4!=24。

類似***種和第二種這樣的可能性很好理解。為什么會出現像第三種這樣的可能的執行呢？

那是因為就算在同一個程序中，由于處理會有多級的緩存，以及處理器中 coherence 的存在，雖然你的程序中是先 write 后 read，在內存中真正生效的順序，也有可能是先 read 后 write。

其實還會出現類似下面這樣的執行，兩個操作在兩個處理器上同時執行。

P1--write(x)-read(y)-------- P2--write(u)--------read(v)-

如果加上同時運行的這種情況，那就有更多種可能性。我的算術不太好，這里就不繼續算下去了，因為到底有多少個不重要，重要的是要知道有很多種可能性。

那么定義中的“any execution”，就是指任意一種可能的執行，在定義中也可以理解為所有的這些可能的執行。

接著我們再來解釋一個詞——“sequential order”。什么叫 sequential order？我們來翻一下英語詞典（感覺更像在做閱讀理解了）。

sequential：連續的；相繼的；有順序的

order：命令；順序；規則；[貿易] 定單

sequential order——有順序的順序，這又是什么鬼？

其實 sequential 是有一個接一個的意思，在處理器的這種上下文中，sequential 就是指操作（operartion）一個接一個地執行，也就是順序執行，并且沒有重疊。

order 是指經過一定的調整，讓某樣東西按照一定的規則變得有序。比如，在算法中的排序算法就是 ordering，就是讓數組這個東西按照從大到小或從小到大的規則變得有序。

那么 sequential order 就是指讓操作（operation）按照一個接一個這樣的規則排列，并且沒有重疊。

再說回上文的例子，如果把四個操作，按一個接一個的規則排列，這時就可以得到 4！的排列組合個可能的排列（order），同樣的，有多少個不重要。

比如：

P1_write(x);P1_read(y);P2_write(u);P2_read(v); P1_read(y);P1_write(x);P2_write(u);P2:read(v); P2_write(u);P2_read(v);P1_read(y);P1:write(x);

我這里只列舉其中三個，其他的大家可以自己排一下。

重點來了，其實 sequential order 就是讓這四個操作按照一個接一個的順序執行，并且沒有重疊。

注意這個排列不是真實的執行，真實的執行是 any execution，這里說的是邏輯上的假設，也就是為什么定義有一個 as if。

做了這么多的鋪墊，下面我們開始翻譯定義中的***句話：

任意一種可能的執行效果，與所有的處理器上的某一種操作按照順序排列執行的效果是一樣的。

注意，some 在這里是指“某一種”的意思，不是一些，因為 order 是單數（真的是在做閱讀理解）。

這句話的意思就是說，一個處理器要滿足這個條件，就只能允許滿足這個條件的那些可能的執行存在，其他不滿足的可能的執行都不會出現。

從***句話中我們可以看出，一種多核處理器要想滿足 Sequential Consistency，那么多個程序在多個核運行效果“等同”于在一個核上順序執行所有操作的效果是差不多的。

如果這樣的話，其實多核的威力基本就消失了。所以無論是從 Lamport 寫這篇論文的 1979 年，還是現在，沒有任何一個現實的多核處理器實現了 Sequential Consistency。

那么，為什么 Lamport 大神提出這樣一個不現實的概念呢？（要注意 Lamport 寫這篇論文時，并沒有把它引申到分布式系統領域，就是針對多核處理器、并發編程領域提出的）我們稍后再論述。

這里還要注意的一點是，在我的翻譯里用了“效果”一詞，但實際上英文原文中用的是“result（結果）”一詞。那效果和結果有什么區別嗎？我們解釋一下什么叫執行結果。

不管是任何真實的執行，還是某種經過順序排序后的假設執行，程序會產生一定的結果，比如 print 出來的結果（result）。實際上定義中說的是結果一樣。

如果定義中用“效果”的話，那這個定義就只是一個定性的定義，如果用“結果”的話，那這個定義就是一個定量的定義。定量的，也就是說可以通過數學證明的。

從這點我們可以看出，大神就是不一樣，任何理論都是可以通過數學證明為正確的。本文后面還會提到證明的事情，我們這里再賣個關子。

到這里，關于定義的***句，更準確的翻譯就是：

任意一種可能的執行的結果，與某一種所有的處理器上的操作按照順序排列執行的結果是一樣的。

這里我們還要注意一點，結果一樣就意味著，如果有人真的要實現一種 Sequential Consistency 的多核處理器的話，因為要保證結果一樣，所以他是有一定的空間來優化，而不會完全是一個按順序執行的效果。

但是估計這種優化也是非常有限的。好了，終于把最難的***句話解釋完了，大家可以松口氣，第二句就非常簡單了。

我們還是先解釋第二句中出現的一個詞——“sequence”。剛剛解釋過的 sequential order 是順序排序（就是按一個接一個排序）。

其實這是一個動作，動作會產生結果，它的結果產生了一個操作（operation）的隊列。第二句中出現的 sequence 就是指這個操作（operation）的隊列。

好，那第二句的翻譯就是：

并且每個獨立的處理器的操作，都會按照程序指定的順序出現在操作隊列中。

也就是說如果程序里是先write(x)；后read(y)；，那么只有滿足這個順序的操作隊列是符合條件的。

這樣，我們剛剛說的很多可能的執行就少了很多，這里我也就不計算少了多少，還是那句話，數量不重要，反正是有，而且變少了。

那么第二句話意味著什么？意味著如果一個多核處理器實現了 Sequential Consistency，那這種多核處理器基本上就告別自（緩）行（存）車了。

這里我還要繼續賣關子，連緩存這種最有效提高處理器性能的優化都沒了，大神為什么要提出這個概念？

好了，到這里我們可以把兩句翻譯合起來，完整看一下：

任意一種可能的執行的結果，與某一種所有的處理器上的操作按照順序排列執行的結果是一樣的，并且每個獨立的處理器的操作，都會按照程序指定的順序出現在操作隊列中。 

從這個定義中，我們可以看出，此概念的核心就是 sequential order，這也就是為什么 Lamport 老爺子把這種一致性模型稱之為 Sequential Consistency。

可以說這個命名是非常貼切的，不知道這種貼切對于以英語為母語的人來說是不是更好理解一些，應該不會出現“順序的順序是什么鬼”這種情況。如果你看完本文，也覺得 sequential 很貼切的話，那就說明我講清楚了。

接下來我們舉個具體的例子，再來說明一下：

execution A  P0 writex=1------------------------------- P1 -------write x=2---------------------- P2 -----------------read x==1--read x==2 P3 -----------------read x==1--read x==2 sequetial order: P0_write x=1,P3_read x==1,P4_read x==1,P1_write x=2,P3_read x==2,P4_read x==2 execution B  P0 write=1-------------------------------  P1 -------write x=2----------------------  P2 -----------------read x==2--read x==1  P3 -----------------read x==2--read x==1 sequetial order: P1_write x=2,P3_read x==2,P4_read x==2,P0_write x=1,P3_read x==1,P4_read x==1 execution C P0 write=1-------------------------------  P1 -------write x=2----------------------  P2 -----------------read x==1--read x==2  P3 -----------------read x==2--read x==1   sequetial order: 你找不出一個符合定義中2個條件的一種order。

sequetial order: 你找不出一個符合定義中2個條件的一種order。

所以說如果一個多核處理器只允許 execution A 和 B 出現，不允許 C 出現，那么這個多核處理器就是 Sequetial Consistency 的；如果它允許 C 出現，那它就不是 Sequetial Consistency。

到這里，我們已經完整地解釋完什么是 Sequetial Consistency。但是，細心的朋友可能會問，如果你的 program 是多線程的程序怎么辦？那我們再把定義中***的一個細節解釋一下：program 這個詞。

program 是指可以直接運行在處理器上的指令序列。這個并不是 program 的嚴格定義，但是我要指出的是這個 program 是在操作系統都沒有的遠古時代就存在的概念，在上文的定義中 prgram 就是指那個時代的 program。

這個 program 里沒有進程、線程的概念，這些概念都是在有了操作系統之后才出現的。因為沒有操作系統，也沒有內存空間的概念。

不像我們現在所說的程序（program），不同的程序有自己獨立的內存地址空間。我們這里，內存（memory）對于不同的 program 來說是 shared。

另外，需要注意的是 program 可以用來說明各種程序，不管你是操作系統內核，還是應用程序，都適用。

Sequential Consistency 是分布式領域的概念

剛剛我們說了，Sequential Consistency 雖然是針對并發編程領域提出的，但實際上它是分布式領域的概念，特別是分布式存儲系統。

在 Distributed system：Principles and Paradigms （作者Andrew S.Tanenbaum, Maarten Van Steen），作者稍微修改了一下 Lamport 的定義，讓這個定義更貼近分布式領域中的概念。

我們來看一下作者是怎么改的：

The result of any execution is the same as if the (read and write) operations by all processes on the data store were executed in some sequential order and the operations of-each individual process appear in this sequence in the order specified by its program.

作者把 processor 換成了 process，并且加了 on the data store 這個限定，在 Lamport 的定義里沒有這個限定，其實默認指的是 memory（內存）。

process 就是指進程，以 Zookeeper 為例，就是指訪問 Zookeeper 的應用進程。program 也不是那么底層的概念，也是基于操作系統的應用程序了。

Sequential Consistency 的作用

好了，下面該揭曉我上面賣的兩個關子了。在 Lamport 的論文中，給出了一個小例子，如下：

process 1     a := 1;     if b = 0 then critical section:             a := 0         else ... fi process 2     b := 1;     if a = 0 then critical section:            b := 0         else ... fi

Lamport 在論文中說，如果一種多核處理滿足 Sequential Consistency 的條件，那么最多只有一個程序能夠進入 critical section。

在論文中，Lamport 老爺子并沒有解釋為什么最多只有一個程序能夠進入 critical section。

而是把這個證明留給了論文的讀者，就像我們常見的教科書中的課后習題一樣。

Lamport 老爺子應該是認為這個證明太簡單了，不需要花費筆墨來證明它。Sequential Consistency 這篇論文只有不到兩頁 A4 紙，是我見過的最短的論文。

這是 Lamport 一貫的做事風格，他的 Paxos 論文中，有很多細節都是一筆帶過的，給讀者留下無盡的遐想（瞎想）。

假設現在我們已經證明這個是正確的（雖然我也沒去證明，論文給出了兩個參考文獻用于證明），那這個例子說明了什么呢？

大家也許注意到了，這個例子沒有用到任何鎖，但它實現了 critical section，critical section 是一種多線程 synchronization 機制。

如果多核處理器是 Sequential Consistency 的，那么你寫的并發程序“天然就是正確的”。

但是處理器的設計者為了追求性能，將保證程序正確的任務丟給程序開發者。

只在硬件級別提供了一些 fence、cas 等指令，基于這些指令操作內核和語言基礎庫實現了各種 synchronization 機制，用來保證操作系統的正確性和應用程序的正確性。

程序員必須小心謹慎地使用線程和這些 synchronization 機制，否則就會出各種意想不到的問題。如果你沒有 debug 一個多線程 Bug 連續加班兩天，那說明你是大神。

這些指令都是具有更高一致性級別，也就是 linearizability，雖然一致性級別高，但只是個別指令的，處理器整體只是實現了比 Sequential Consistency 低很多的一致性級別。所以實現難度大大降低了。

雖然 Lamport 老爺子的 Sequential Consistency 概念在 Concurrent Programming 領域中還沒有實際意義，但卻給我們指出了程序員的天堂在哪里。

在程序員的天堂里，沒有多（車）線（來）程（車）編（往）程，只要寫程序就行。你面試的時候不會再有人問你多線程編程，不會再問你各種鎖。

在分布式領域中，Sequential Consistency 更實際一些。Zookeeper 就實現了 Sequential Consistency。

同理，這應該也是可以證明的，但目前還沒發現有 Zookeeper 社區有任何論文來證明這個。

如果你已經明白上面解釋的定義，就可以想清楚 Zookeeper 是 Sequential Consistency，歡迎大家一起來探討。

為何 Zookeeper 要實現 Sequential Consistency

實際上，Zookeeper 的一致性更復雜一些，Zookeeper 的讀操作是 Sequential Consistency 的，Zookeeper 的寫操作是 linearizability 的。

關于這個說法，Zookeeper 的官方文檔中沒有寫出來，但在社區的郵件組有詳細的討論。

另外，在 Modular Composition of Coordination Services 這篇關于 Zookeeper 的論文中也有提到這個觀點（這篇論文不是 Zookeeper 的主流論文，但全面分析了 Zookeeper 的特性，以及 Zookeeper 跨機房方案，餓了么的 Zookeeper 異地多活改造也參考了這篇論文中的一些觀點）。

我們可以這么理解 Zookeeper，從整體（read 操作+write 操作）上來說是 Sequential Consistency，寫操作實現了 linearizability。

通過簡單的推理，我們可以得出 Lamport 論文中的小例子，在 Zookeeper 中也是成立的。我們可以這樣實現分布式鎖。

但 Zookeeper 官方推薦的分布式實現方法并沒有采用這個方式，而是利用了 Zookeeper 的 linearizability 特性實現了分布式鎖。

為什么 Zookeeper 要實現 Sequential Consistency？Zookeeper 最核心的功能是用來做 coordination service，也就是用來做分布式鎖服務，在分布式的環境下，Zookeeper 本身怎么做到“天然正確”？

沒有其他的 synchronization 機制保證 Zookeeper 是正確的，所以只要 Zookeeper 實現了 Sequential Consistency，那它自身就可以保證正確性，從而對外提供鎖服務。

“Zookeeper的一致性原理”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！