分布式一致性——2PC和3PC

分布式的几个概念

1. CAP理论：一个分布式系统中，一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分区容错性(Partition tolerance)的首字母。
2. 协调者：在系统中任一时刻只存在一个协调者，事务由协调者发起。
3. 参与者：同一时刻可以存在多个参与者，接受并且执行协调者发起的事务请求。
4. 最终解决的问题：最终系统中所有的参加事务的节点状态一致。

两阶段提交2PC(Two-Phase Commit)

两阶段提交分为准备阶段和提交阶段。

准备阶段

1. 首先协调者向所有的参与者发送将要提交事务的内容，并且询问参与者是否可以提交事务。之后协调者等待参与者答复。
2. 参与者收到事务内容，将执行事务的操作，并且记入到事务日志中。但是不执行提交操作，这里只是尝试执行出结果，在外部看来这个事务仍旧没有完成。发送给协调者答复。
3. 如果参与者执行成功，可以完成事务，回复YES，告诉协调者可以提交事务；否则回复NO。

提交阶段

1. 如果所有参与者都返回YES

• 协调者向所有的参与者发送提交事务的请求
• 参与者收到提交事务请求后正式提交之前执行的事务，并且释放整个事务期间占用的资源
• 参与者同时也会向协调者回复提交完成的消息
• 协调者收到消息，事务提交完成。

2. 如果有至少一个参与者返回NO(也可设置超时时间，如果在规定时间至少有一个参与者没有回复)，事务无法执行

• 协调者向所有的参与者发送回滚事务的请求
• 参与者收到回滚事务请求后根据事务日志信息执行回滚操作，并且释放整个事务期间占用的资源
• 参与者同时也会向协调者回复回滚完成的消息
• 协调者收到消息，事务中断完成。

2PC的缺陷

1. 参与者阻塞问题：在事务执行时所有的参与者都处于事务的阻塞状态中。因为这个特性也引发了第二个缺陷。
2. 协调者的单点故障：如果在事务执行中，协调者处于离线状态，所有的参与会一直处于阻塞状态。即使有新的协调者出现也无法解开当前的阻塞状态。
3. 数据不一致问题：如果协调者在提交阶段发出的提交请求只被部分参与者收到，这将导致系统中的参与者一部分执行了提交，一部分始终不能提交，数据在这些节点中就会存在不一致的问题。

三阶段提交3PC(Three-Phase Commit)

三阶段提交3PC是在2PC基础上的改进版本。将2PC的第一阶段准备阶段拆分为两个阶段，与提交阶段组成三阶段。分为CanCommit、PreCommit和DoCommit三个阶段。

CanCommit

1. 协调者向所有参与者发送将要提交事务的内容，并且询问参与者是否可以提交事务。之后协调者等待参与者答复。
2. 参与者收到事务内容的CanCommit请求后，如果认为自身可以执行事务，回复YES，否则回复NO。

PreCommit

1. 如果所有的参与者在CanCommit请求后都回复YES

• 协调者发送PreCommit请求，进入到准备阶段
• 参与者收到PreCommit请求后，尝试执行事务操作，并且记入事务日志中。但是不执行提交操作，这里只是尝试执行出结果，在外部看来这个事务仍旧没有完成。发送给协调者答复。
• 所有参与者执行成功，可以完成事务，回复YES，告诉协调者可以提交事务；否则回复NO。

2. 如果有至少一个参与者返回NO(也可设置超时时间，如果在规定时间至少有一个参与者没有回复)，事务无法执行

• 协调者向所有的参与者发送Abort请求
• 参与者收到来自协调者的Abort请求，或者超时未收到协调者的请求，执行事务的中断。

DoCommit

1. 如果所有的参与者在PreCommit请求后都回复YES

• 协调者向所有的参与者发送提交DoCommit请求
• 参与者收到DoCommit请求后，正式提交之前执行的事务，并且释放整个事务期间占用的资源
• 参与者同时也会向协调者回复DoCommit完成的消息
• 协调者收到消息，事务提交完成。

2. 如果有至少一个参与者返回NO(也可设置超时时间，如果在规定时间至少有一个参与者没有回复)，事务无法执行

• 协调者向所有的参与者发送Abort请求
• 参与者收到Abort请求后，根据事务日志信息执行回滚操作，并且释放整个事务期间占用的资源
• 参与者同时也会向协调者回复回滚完成的消息
• 协调者收到消息，事务中断完成。

2PC和3PC的区别

1. 3PC解决参与者阻塞问题：在DoCommit阶段，如果参与者没有收到协调者的DoCommit请求或者Abort请求时，会在等待超时之后，自动提交。因为经过了前两次请求同意之后进入到的第三阶段，意味着大概率协调者会发送DoCommit请求。换言之，经过前两次请求后，成功提交的几率很大。参与者自动提交不会产生阻塞问题，但实际如果是Abort命令，这样就会与其他参与者状态不一致。
2. 3PC解决协调者的单点故障：因为在2PC协调者超时机制的基础上，对参与者也增加了超时机制，这样即使协调者处于离线状态，参与者也不会一直处于阻塞状态。
3. 增加一个阶段，意味着多出一个时间周期用于作为缓冲，在两次CanCommit和PreCommit之后，可以尽最大可能保证提交阶段之前各个参与者的状态是一致的。

3PC在2PC基础上做出改进，可是两者都未能解决数据的不一致问题。这就需要更好的方式实现分布式系统。