概念
分布式一致性問題隨處可見，任何一個實體/聯(lián)接模型贷揽，都可能存在分布式一致性問題。如果把單機(jī)拆開來看梦碗，CPU禽绪、內(nèi)存、I/O設(shè)備組成的機(jī)箱本身就是一個小型的分布式系統(tǒng)叉弦，需要確保對這個系統(tǒng)操作的最終一致性丐一。幸運的是這部分工作已經(jīng)交給操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫軟件來幫我們完成。而在大型分布式企業(yè)級應(yīng)用中淹冰，分布式最終一致性方案需要根據(jù)系統(tǒng)自身特點量身定制库车，是系統(tǒng)設(shè)計的重點。近年來隨著滬江業(yè)務(wù)的快速增長和微服務(wù)治理推廣樱拴，本地ACID事務(wù)早已不能滿足業(yè)務(wù)和系統(tǒng)的發(fā)展需求柠衍。大部分業(yè)務(wù)流程都需要跨多微服務(wù)的調(diào)用來協(xié)作完成，并且要求系統(tǒng)確保分布式最終一致性晶乔。
可以選擇分布式事務(wù)框架方案珍坊，目前主流的分布式事務(wù)框架大致可分為3類實現(xiàn) :

• 基于XA協(xié)議的兩階段提交(2PC)方案
• 基于支付寶最早提出的TCC(Try、Confirm正罢、Cancel)方案
• 基于ebay最早提出的消息隊列異步確保方案
  此外還有較輕的解決方案阵漏，業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以根據(jù)自身需要，選擇通過冪等/重試、狀態(tài)機(jī)履怯、恢復(fù)日志回还、異步校驗等技術(shù)來確保最終一致性。

重型武器

采用分布式事務(wù)框架的方案叹洲，最終一致性由分布式事務(wù)框架保證柠硕，業(yè)務(wù)程序員對框架細(xì)節(jié)完全透明。選擇這種方案运提，需要注意幾個點蝗柔。首先，由于分階段提交協(xié)議本身的脆弱性民泵，主流分階段提交協(xié)議如2PC癣丧，3PC, TCC都無法完全確保最終一致性，要采用異步校驗的手段兜底洪灯。其次坎缭，分階段提交協(xié)議帶來的高延遲，多次協(xié)議通信RTT帶來的時間損耗签钩。第三掏呼，基于消息隊列異步確保的分布式事務(wù)框架實現(xiàn)，需要考慮消息可靠性和業(yè)務(wù)侵入問題铅檩。分布式事務(wù)框架也有巨大的優(yōu)勢憎夷，首先，分布式事務(wù)被框架封裝成切面昧旨，業(yè)務(wù)開發(fā)只需關(guān)心純業(yè)務(wù)拾给。其次，分布式事務(wù)的代碼開發(fā)量大大減少兔沃。對一致性和代碼質(zhì)量有極高要求的銀行蒋得、金融領(lǐng)域，分布式事務(wù)框架是最佳選擇乒疏。

輕型武器

不同于采用分布式事務(wù)框架的最終一致性方案额衙，程序員也可以選擇通過冪等/重試、狀態(tài)機(jī)怕吴、恢復(fù)日志窍侧、異步校驗等技術(shù)來確保最終一致性。這種方案不受限于平臺和框架转绷，系統(tǒng)較精簡靈活伟件，初期業(yè)務(wù)系統(tǒng)大都基于這種分布式一致性解決方案。不過這種方案對業(yè)務(wù)開發(fā)的要求更高议经，分布式一致性邏輯要業(yè)務(wù)程序員代碼實現(xiàn)斧账，容易出現(xiàn)bug谴返。
其實，主流的分布式事務(wù)框架也是通過這些基本的系統(tǒng)機(jī)制如冪等/重試其骄、狀態(tài)機(jī)亏镰、恢復(fù)日志、異步校驗等來確保的最終一致性拯爽，對比兩種方案，下文主要圍繞后一種展開論述钧忽，討論5點使系統(tǒng)達(dá)成分布式最終一致性的技術(shù)實踐毯炮。

原則

1、CAP定理

如下三屬性耸黑，任何一個聯(lián)網(wǎng)的共享數(shù)據(jù)系統(tǒng)最多只能同時滿足 2 個 :

• 一致性(Consistency) : 每次讀取都會收到最新的寫入或錯誤
• 可用性(Availability) : 每個請求都會收到一個不是錯誤的響應(yīng)
• 分區(qū)容忍性(Partition tolerance) : 節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)丟棄（或延遲）了任意數(shù)量的消息桃煎，系統(tǒng)仍繼續(xù)運行

由于分區(qū)容忍性是可伸縮的最基本要求，放棄分區(qū)容忍性等于放棄可伸縮大刊，所以分區(qū)容忍性是必選項为迈，大部分的分布式系統(tǒng)都是在C和A之間做選擇。需要注意的是缺菌，雖然C都叫一致性葫辐，但CAP定理中的C和數(shù)據(jù)庫事務(wù)ACID中的C是完全不同的兩個定義。

2伴郁、BASE原則

• Basically Available : 基本可用
• Soft state : 軟狀態(tài)
• Eventual consistency : 最終一致性

BASE原則發(fā)展自CAP定理耿战，舍棄了系統(tǒng)的強(qiáng)一致性而選擇AP，但每個應(yīng)用可以根據(jù)自身的業(yè)務(wù)特點焊傅，采用適當(dāng)?shù)姆绞絹硎瓜到y(tǒng)達(dá)到最終一致性剂陡。用較通俗的話來描述就是 : “過程寬松，結(jié)果嚴(yán)格狐胎，你的老板不關(guān)心過程鸭栖，只看結(jié)果”。NoSQL數(shù)據(jù)庫Cassandra就是遵循的BASE原則設(shè)計握巢。不過也有分布式系統(tǒng)設(shè)計不是遵循BASE原則晕鹊，而是選擇CAP中的CP，如HBase镜粤。當(dāng)然捏题，系統(tǒng)對CAP三者的取舍并不是一成不變，可以根據(jù)實際需要改變策略肉渴。

實踐

1公荧、重試

重試機(jī)制可以使分布式不一致數(shù)據(jù)自動恢復(fù)，前提是重試接口要提供冪等保證同规。重試機(jī)制是達(dá)成分布式最終一致性的重要手段循狰。例如窟社，超時重傳是TCP協(xié)議保證數(shù)據(jù)可靠性的一個重要機(jī)制，核心思想其實就是重試绪钥。\n同步重試 : 在上次請求失敗或超時灿里，程序再次發(fā)起同步調(diào)用請求。后端程序不推薦同步重試程腹，其一因為同步等待占用系統(tǒng)線程資源匣吊，其二因為重試引起的流量放大，可能導(dǎo)致系統(tǒng)雪崩寸潦。
異步重試 : 通過異步系統(tǒng)(消息隊列或調(diào)度中間件)對失敗或超時請求再次發(fā)起調(diào)用色鸳。推薦這種方式的重試，重試的時間間隔可以設(shè)置為根據(jù)重試次數(shù)指數(shù)增長见转，超過重試閾值仍未成功命雀，可以報警通知并由人工訂正。
重試也是提高系統(tǒng)可用性的一種有效手段斩箫。如果一個服務(wù)的可用性為98%(有1個9)吏砂，1次重試之后其可用性可達(dá)到99.96%(3個9)，2次重試可以達(dá)到99.9992%(5個9)乘客。

2狐血、冪等

冪等的數(shù)學(xué)定義為
用通俗的話來說就是 : 相同的操作執(zhí)行多次和執(zhí)行一次產(chǎn)生的效果是一樣的。有的操作是天然冪等的寨典，如查詢氛雪、刪除操作。有的操作是人為使其冪等耸成，例如TCP的超時重傳操作就是冪等的报亩，無論客戶端將一個seq字節(jié)傳送多少次，服務(wù)端窗口只會用一次該字節(jié)井氢。冪等實現(xiàn)方式有很多 :

• 基于記錄的悲觀鎖弦追，MySQL中通過SELECT FOR UPDATE語句實現(xiàn)。這種實現(xiàn)方式要設(shè)置AUTOCOMMIT=0花竞，加鎖和更新記錄在同一個事務(wù)中劲件，長時間鎖定記錄會降低系統(tǒng)的TPS，高并發(fā)場景不推薦使用约急。
• 基于記錄版本號或狀態(tài)機(jī)的樂觀鎖方案零远，適用于更新數(shù)據(jù)場景。例如厌蔽，用戶下單購買一個商品的扣庫存操作實現(xiàn)冪等牵辣，可以用如下SQL語句實現(xiàn) : UPDATE stocktable SET stock = stock - 1, version = version + 1 WHERE product_id = 123 and version = 1
• 基于數(shù)據(jù)庫唯一索引的去重表，適用于插入和更新數(shù)據(jù)的場景奴饮，由數(shù)據(jù)庫惟一索引確保多次插入和更新操作只有一次生效纬向。
• 基于全局唯一標(biāo)識token實現(xiàn)择浊，這種方案要注意幾點 :
  1、這里校驗token是否可使用 和 置token為已使用逾条，是一個CAS原子操作琢岩，需要確保在一個原子操作中。
  2师脂、如果token存儲使用的是Redis担孔，那么驗證token的CAS操作可以使用原子自增操作incr，如果Redis值大于1則token不可使用危彩，反之可使用攒磨。還有一種實現(xiàn)方式是token生成系統(tǒng)將token預(yù)先寫入Redis，用刪除操作來校驗token是否被使用汤徽，刪除成功代表token未被使用可執(zhí)行操作。
  3灸撰、如果token存儲使用的是MySQL谒府，根據(jù)token分庫分表和建惟一索引，同時通過insert語句來判斷token是否存在浮毯，如果insert失敗則token不可使用完疫，反之可使用。

3债蓝、狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)是表示實體的狀態(tài)根據(jù)條件轉(zhuǎn)移的數(shù)學(xué)模型壳鹤。通過狀態(tài)機(jī)模型，系統(tǒng)可以判斷當(dāng)前不一致狀態(tài)饰迹，以及如何校正不一致狀態(tài)到一致狀態(tài)芳誓。這樣說可能比較抽象，我們拿發(fā)微信群紅包的例子來說明啊鸭。當(dāng)你點開發(fā)紅包按鈕锹淌，輸入總金額、紅包個數(shù)赠制、標(biāo)題赂摆，點擊支付成功后。其實根據(jù)時間先后紅包系統(tǒng)后臺至少經(jīng)歷過這樣一個狀態(tài)機(jī) :
1钟些、當(dāng)輸入總金額烟号、紅包個數(shù)、標(biāo)題點擊提交政恍，首先后臺創(chuàng)建一個初始化狀態(tài)(INIT)紅包
2汪拥、接著系統(tǒng)將根據(jù)你輸入的總金額和個數(shù)n將紅包拆分成n分，此時紅包的狀態(tài)為拆分成功(SPLITTED)
3抚垃、此時紅包后臺會監(jiān)聽異步支付消息喷楣，如果支付成功則將紅包置為支付成功(PAID)
4趟大、之后紅包系統(tǒng)會通知微信IM系統(tǒng)，發(fā)送消息通知群里的用戶铣焊，此時紅包狀態(tài)為(NOTIFIED)
5.1逊朽、群里的用戶把紅包搶光了，紅包狀態(tài)被系統(tǒng)置為已搶光(RUNOUT)
5.2曲伊、還有一種可能叽讳，如果群里都是程序員，忙著擼代碼坟募，沒時間搶紅包岛蚤，一定時間后紅包自動退款到支付賬號，紅包狀態(tài)便為(REFUND)

這只是一個正常業(yè)務(wù)流程的紅包狀態(tài)機(jī)懈糯，異常情況如拆分失敗涤妒、支付失敗、通知失敗赚哗、退款失敗等情況也同理存在一個狀態(tài)機(jī)器她紫。為了方便業(yè)務(wù)實體狀態(tài)回滾和校正，狀態(tài)機(jī)要盡量設(shè)計精簡屿储，轉(zhuǎn)移到下一個狀態(tài)的邊盡可能的只有一條路徑(終結(jié)狀態(tài)會例外)贿讹，這樣在回滾和校正時能夠明確前一個狀態(tài)和后一個狀態(tài)。舉個例子够掠，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)紅包一直處于PAID狀態(tài)民褂，而并沒有流轉(zhuǎn)到NOTIFIED狀態(tài)，能夠判斷是通知群用戶出現(xiàn)異常疯潭，可以根據(jù)實際情況重新通知群用戶或者將超期紅包退款赊堪。

4、恢復(fù)日志

恢復(fù)日志是程序現(xiàn)場的記錄袁勺，也是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)恢復(fù)的重要依據(jù)雹食。恢復(fù)日志log要求全局唯一的requestId來標(biāo)示請求(實際的業(yè)務(wù)場景可采用不會重復(fù)有含義的業(yè)務(wù)id)期丰，出現(xiàn)異常群叶，可以根據(jù)requestId維度redo和undo業(yè)務(wù)操作，恢復(fù)日志具體可分為三部分 :

• requestId請求開始時钝荡，記錄REQUEST START requestId
• 本地修改時街立，記錄全部的（requestId，x埠通，originalValue, destValue）四元組赎离，x代表操作對象，修改前x的值為originalValue端辱，本次修改的目的操作值為destValue
• requestId結(jié)束時梁剔，記錄REQUEST End requestId\n恢復(fù)日志是系統(tǒng)從不一致的狀態(tài)恢復(fù)到一致狀態(tài)的重要數(shù)據(jù)虽画，丟失恢復(fù)日志，意味著不一致可能無法恢復(fù)荣病。為什么是可能码撰，因為有時可以通過狀態(tài)機(jī)對不一致的狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)。\n\n5个盆、異步校驗

徹底解決分布式一致性問題脖岛，有著名的Paxos算法，通過該算法分布式系統(tǒng)自發(fā)達(dá)成一致性颊亮。而在具體的業(yè)務(wù)場景柴梆，完全不需要系統(tǒng)自發(fā)的達(dá)成共識，我們只要在業(yè)務(wù)系統(tǒng)外部加上嚴(yán)格的業(yè)務(wù)約束终惑，用來仲裁業(yè)務(wù)系統(tǒng)的狀態(tài)绍在。通過異步校驗，可以發(fā)現(xiàn)分布式系統(tǒng)中的異常狀態(tài)雹有，并通過恢復(fù)日志進(jìn)行腳本批量恢復(fù)或者人工處理恢復(fù)揣苏，根據(jù)校驗的粒度有 :

• 根據(jù)業(yè)務(wù)實體id校驗，使用消息隊列件舵，將需要校驗業(yè)務(wù)id投遞給校驗系統(tǒng)，進(jìn)行異步校驗脯厨。
• 根據(jù)時間維度批量校驗铅祸，使用異步調(diào)度框架，根據(jù)時間粒度批量獲取進(jìn)行異步校驗合武。
• 此外临梗，并不是所有系統(tǒng)都有可靠消息隊列和調(diào)度服務(wù)支撐，業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以增加一個本地業(yè)務(wù)id校驗回執(zhí)字段稼跳，校驗系統(tǒng)根據(jù)校驗步驟回調(diào)設(shè)置校驗回執(zhí)字段盟庞，并對校驗未通過的數(shù)據(jù)進(jìn)行重校驗或者訂正。

總結(jié)

分布式最終一致性問題汤善，后端程序員在實際開發(fā)中經(jīng)常遇到什猖。在實際系統(tǒng)開發(fā)中為了確保最終一致性，往往需要組合多個技術(shù)點打出組合拳红淡，因為招數(shù)是死的不狮，程序員是活的≡诤担總結(jié)上面提到的技術(shù)點摇零，我們可以通過冪等和重試機(jī)制，使得不一致數(shù)據(jù)能夠自動恢復(fù)桶蝎；通過異步校驗機(jī)制發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的不一致數(shù)據(jù)驻仅；通過狀態(tài)機(jī)和恢復(fù)日志谅畅，糾正不一致的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。