分布式系統(tǒng)的一致性級別劃分及Zookeeper一致性級別分析

最近在研究分布式系統(tǒng)的一些理論概念，例如關(guān)于分布式系統(tǒng)一致性的討論，看了一些文章我有一些不解。大多數(shù)對分布式系統(tǒng)一致性的劃分是將其分為三類：強(qiáng)一致性，順序一致性以及弱一致性。強(qiáng)一致性（Strict Consistency）也稱為：原子一致性（Atomic Consistency）、線性一致性（Linearizable Consistency）。

在談到Zookeeper的一致性是哪種級別的一致性問題，以及CAP原則中的C是哪一種一致性級別時(shí)有些疑惑。

下面是大多數(shù)文章中提到的一致性級別

1. 一致性（Consistency）

一致性（Consistency）是指多副本（Replications）問題中的數(shù)據(jù)一致性?？梢苑譃閺?qiáng)一致性、順序一致性與弱一致性。

1.1 強(qiáng)一致性（Strict Consistency）

也稱為：原子一致性（Atomic Consistency）**線性一致性（Linearizable Consistency）**

強(qiáng)一致性有兩個(gè)要求：

• 任何一次讀都能讀到某個(gè)數(shù)據(jù)的最近一次寫的數(shù)據(jù)。
• 系統(tǒng)中的所有進(jìn)程，看到的操作順序，都和全局時(shí)鐘下的順序一致。

簡言之，在任意時(shí)刻，所有節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)都是一樣的。

例如，對于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，要求更新過的數(shù)據(jù)能被后續(xù)的訪問都能看到，這是強(qiáng)一致性。

1.2 順序一致性（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. - - Lamport

兩個(gè)要求：

• 任何一次讀都能讀到某個(gè)數(shù)據(jù)的最近一次寫的數(shù)據(jù)。
• 系統(tǒng)的所有進(jìn)程的順序一致，而且是合理的。即不需要和全局時(shí)鐘下的順序一致，錯(cuò)的話一起錯(cuò)，對的話一起對。

舉個(gè)例子：

Write(x, 4)：寫入x=4?
Read(x, 0)：讀出x=0

1）圖a是滿足順序一致性，但是不滿足強(qiáng)一致性的。原因在于，從全局時(shí)鐘的觀點(diǎn)來看，P2進(jìn)程對變量X的讀操作在P1進(jìn)程對變量X的寫操作之后，然而讀出來的卻是舊的數(shù)據(jù)。但是這個(gè)圖卻是滿足順序一致性的，因?yàn)閮蓚€(gè)進(jìn)程P1，P2的一致性并沒有沖突。從這兩個(gè)進(jìn)程的角度來看，順序應(yīng)該是這樣的：Write(y,2) , Read(x,0) , Write(x,4), Read(y,2)，每個(gè)進(jìn)程內(nèi)部的讀寫順序都是合理的，但是這個(gè)順序與全局時(shí)鐘下看到的順序并不一樣。

2）圖b滿足強(qiáng)一致性，因?yàn)槊總€(gè)讀操作都讀到了該變量的最新寫的結(jié)果，同時(shí)兩個(gè)進(jìn)程看到的操作順序與全局時(shí)鐘的順序一樣，都是Write(y,2) ,Write(x,4), Read(x,4) ,? Read(y,2)。

3）圖c不滿足順序一致性，當(dāng)然也就不滿足強(qiáng)一致性了。因?yàn)閺倪M(jìn)程P1的角度看，它對變量Y的讀操作返回了結(jié)果0。那么就是說，P1進(jìn)程的對變量Y的讀操作在P2進(jìn)程對變量Y的寫操作之前，這意味著它認(rèn)為的順序是這樣的：Write(x,4) , Read(y,0) , Write(y,2), Read(x,0)，顯然這個(gè)順序又是不能被滿足的，因?yàn)樽詈笠粋€(gè)對變量x的讀操作讀出來也是舊的數(shù)據(jù)。因此這個(gè)順序是有沖突的，不滿足順序一致性。

1.3 弱一致性

數(shù)據(jù)更新后，如果能容忍后續(xù)的訪問只能訪問到部分或者全部訪問不到，則是弱一致性。

最終一致性就屬于弱一致性。

最終一致性

不保證在任意時(shí)刻任意節(jié)點(diǎn)上的同一份數(shù)據(jù)都是相同的，但是隨著時(shí)間的遷移，不同節(jié)點(diǎn)上的同一份數(shù)據(jù)總是在向趨同的方向變化。

簡單說，就是在一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)會最終達(dá)到一致狀態(tài)。

最終一致性根據(jù)更新數(shù)據(jù)后各進(jìn)程訪問到數(shù)據(jù)的時(shí)間和方式的不同，又可以區(qū)分為：

因果一致性（Casual Consistency）。如果進(jìn)程A通知進(jìn)程B它已更新了一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，那么進(jìn)程B的后續(xù)訪問將返回更新后的值，且一次寫入將保證取代前一次寫入。與進(jìn)程A無因果關(guān)系的進(jìn)程C的訪問，遵守一般的最終一致性規(guī)則。

“讀己之所寫（read-your-writes）”一致性。當(dāng)進(jìn)程A自己更新一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)之后，它總是訪問到更新過的值，絕不會看到舊值。這是因果一致性模型的一個(gè)特例。

會話（Session）一致性。這是上一個(gè)模型的實(shí)用版本，它把訪問存儲系統(tǒng)的進(jìn)程放到會話的上下文中。只要會話還存在，系統(tǒng)就保證“讀己之所寫”一致性。如果由于某些失敗情形令會話終止，就要建立新的會話，而且系統(tǒng)的保證不會延續(xù)到新的會話。

單調(diào)（Monotonic）讀一致性。如果進(jìn)程已經(jīng)看到過數(shù)據(jù)對象的某個(gè)值，那么任何后續(xù)訪問都不會返回在那個(gè)值之前的值。

單調(diào)寫一致性。系統(tǒng)保證來自同一個(gè)進(jìn)程的寫操作順序執(zhí)行。要是系統(tǒng)不能保證這種程度的一致性，就非常難以編程了。

另外一種劃分一致性級別的：

一致性是指從系統(tǒng)外部讀取系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)時(shí)，在一定約束條件下相同，即數(shù)據(jù)變動在系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)應(yīng)該是同步的。根據(jù)一致性的強(qiáng)弱程度不同，可以將一致性級別分為如下幾種：

　?、?/strong>強(qiáng)一致性（strong consistency）。任何時(shí)刻，任何用戶都能讀取到最近一次成功更新的數(shù)據(jù)。
　　②單調(diào)一致性（monotonic consistency）。任何時(shí)刻，任何用戶一旦讀到某個(gè)數(shù)據(jù)在某次更新后的值，那么就不會再讀到比這個(gè)值更舊的值。也就是說，獲取的數(shù)據(jù)順序必是單調(diào)遞增的。
　　③會話一致性（session consistency）。任何用戶在某次會話中，一旦讀到某個(gè)數(shù)據(jù)在某次更新后的值，那么在本次會話中就不會再讀到比這值更舊的值。會話一致性是在單調(diào)一致性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步放松約束，只保證單個(gè)用戶單個(gè)會話內(nèi)的單調(diào)性，在不同用戶或同一用戶不同會話間則沒有保障。示例case：php的session概念。
　?、?/strong>?最終一致性（eventual consistency）。用戶只能讀到某次更新后的值，但系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)將最終達(dá)到完全一致的狀態(tài)，只是所需時(shí)間不能保障。
　　⑤弱一致性（weak consistency）。用戶無法在確定時(shí)間內(nèi)讀到最新更新的值。