一致性协议之2PC和3PC

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2022-11-19 04:05 214阅读 0赞

在分布式系统中每一个机器节点都可以知道自己在进行事务操作过程中的结果是成功还是失败，但是也无法得知其他节点的操作结果。因此当一个事务需要跨越多个节点的时候，为了保证事务的ACID的特性，这个时候就需要引入一个`"协调者"`的组件来统一调度所有节点的逻辑，这些被调度的节点被称为`"参与者"`。协调者负责调度参与者的执行逻辑，并最终决定这些参与者是否要把事务真正的提交。

### 2PC ###

2PC，是Two-Phase-Commit的缩写，即二阶段提交，是计算机网络尤其是在数据库领域内，为了基于分布式系统架构下的所有节点在进行事务处理过程中可以保证原子性和一致性而设计的一种一致性算法。通常二阶段提交也被认为是一种一致性协议，用来保证分布式系统数据的一致性。

###### 阶段一：提交事务请求 ######

1.  事务询问

协调者向所有的参与者发送事务内容，询问是否可以执行事务提交操作，并开始等待各参与者的相应。

1.  执行事务

各个参与者节点执行事务操作，并将Undo Log和Redo Log信息记入事务日志中。

1.  参与者向协调者反馈事务询问的相应

如果参与者成功执行了事务操作，那么就给协调者反馈YES，表示事务可以执行；如果参与者没有成功执行事务，那么就反馈给协调者NO，表示事务不可以执行。

综上就是协调者组织各个参与者进行一次事务操作的投票表态过程，因此二阶段提交的第一阶段也叫做"投票阶段"，即各个参与者投票表明是否要继续执行接下去的事务提交操作。

###### 阶段二：执行事务提交 ######

在阶段二中协调者会根据各个参与者反馈的情况来决定是否可以进行事务提交操作，正常情况应该包含两种情况。

*  执行事务提交

假如协调者从所有的提交者获得的反馈都是YES，那么就会执行事务提交。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70]

1.  发送提交请求：协调者向所有参与者节点发出commit请求
2.  事务提交：参与者接到commit请求之后，会正式的执行事务提交操作，并在完成提交之后释放整个事务执行期间占用的事务资源
3.  反馈结果：参与者在完成事务提交之后，向协调者发送ack消息
4.  完成事务：协调者接受所有参与者反馈的ack消息后，完成事务

*  中断事务

假如任意一个参与者向协调者反馈了NO，或者在等待超时之后，协调者还没有接到所有参与者的反馈，那么就会中断事务。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

1.  发送回滚请求：协调者向所有参与者发送回滚请求
2.  事务回滚：参与者接收到回滚请求之后，会利用Undo Log来执行回滚操作，从而保证原子性，并在回滚之后释放整个事务执行期间占用的资源
3.  反馈结果：参与者全部回滚之后，向协调者发送ack消息
4.  中断事务：协调者接收到所有参与者ack的消息之后，完成事务中断

###### 2PC的优缺点 ######

2PC的优点很明显：原理简单、实现方便。  
缺点也比较容易想到：同步阻塞、单点问题、数据不一致。

*  同步阻塞

2PC存在一个明显的问题就是同步阻塞，这会极大的限制分布式系统的性能。在二阶段提交的过程中，所有参与者处理事务的逻辑都处于阻塞状态，也是就是说各个参与者在等待其他参与者响应的过程中无法进行其他任何的操作。

*  单点问题

在2PC中协调者的作用是至关重要的，一旦协调者出现问题那么整个流程将无法运转，从而导致参与者无法完成事务操作。

*  数据不一致

在阶段二中执行事务提交的时候，当协调者向所有参与者发送commit请求之后，发生了网络故障就会导致部分参与者没有收到commit请求，这个时候收到commit请求的参与者就会提交事务，没有收到commit请求的参与者不会提交事务，从而造成数据不一致的现象出现。

### 3PC ###

在上面的内容中我们了解了2PC的原理和实现机制，并明确指出了在运行期间可能会存在同步阻塞、单点问题以及数据不一致的问题，因此在2PC的基础上，提出了3PC，即三阶段提交协议。

###### 协议说明 ######

3PC，是Three-Phase Commit的缩写，即三阶段提交，是2PC的改进版，其将二阶段提交协议的"提交事务请求"过程一分为二，形成了由CanCommit、PreCommit和do Commit三个阶段组成的事务处理协议。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

###### 阶段一：CanCommit ######

1.  事务询问

协调者向所有的参与者发送一个包含事务内容的canCommit请求，询问是否可以执行事务提交操作，并开始等待各个参与者的相应。

1.  各个参与者向协调者反馈事务询问的响应

参与者在接收到来自协调者的canCommit请求之后，正常情况下，如果其自身认为可以顺利执行事务，那么会反馈YES，进入预备状态，否则反馈NO。

###### 阶段二：PreCommit ######

在阶段二中，协调者会根据各个参与者的反馈状态来决定是否进行事务的PreCommit操作，正常情况下包含两种可能。

*  执行事务预提交操作

假如协调者从所有参与者获得的反馈状态是YES，那么就会执行预提交操作

1.  发送预提交请求

协调者向所有参与者发出preCommit请求，并进入Prepared阶段

1.  事务预提交

参与者收到preCommit请求后，会执行事务操作，并将Undo Log和Redo Log信息记入事务日志中。

1.  各个参与者向协调者反馈执行的结果

如果参与者成功执行了事务操作，那么就会反馈给协调者ack响应，同时等待最终的执行：commit或abort

*  中断事务

假如任何一个参与者向协调者返回了NO响应或者等待超时，那么就会中断事务

1.  发送中断请求
2.  中断事务

###### 阶段三：doCommit ######

该阶段进行真正的事务提交，会存在两种可能

*  执行提交

1.  发送提交请求

进入这一阶段，假设协调者处于正常工作状态，并且它接收到了来自所有参与者的ack响应，那么将从"预提交"状态转到"提交"状态，并向所有参与者发送doCommit请求

1.  事务提交

参与者接收到doCommit请求之后，会真正的执行事务提交操作，并在完成提交之后释放整个事务执行期间占用的资源

1.  反馈事务提交结果

参与者在完成事务提交之后，向协调者发送ack消息

1.  完成事务

协调者收到参与者反馈的ack消息之后，完成事务

*  中断事务

1.  发送中断请求

协调者向所有参与者发送abort请求

1.  事务回滚

参与者接收到abort请求后，会利用在阶段二中的undo log来执行事务回滚操作，并释放事务执行期间占用的资源

1.  反馈事务回滚结果

参与者在完成事务回滚之后，向协调者发送ack消息

1.  中断事务

协调者在接收到所有参与者反馈的ack消息后，中断事务

###### 3PC的优缺点 ######

优点：相对于二阶段提交提交协议，三阶段斜体最大的优点就是降低了参与者的阻塞范围，并且能够在出现单点故障之后继续达成一致。

缺点：三阶段提交在去除阻塞的同事也引入了新的问题，那就是在参与者收到preCommit消息后，如果出现了网络分区，此时协调者所以在的节点和参与者无法进行正常的网络通信，在这种情况下改参与者依然会进行事务的提交，这必然会出现数据不一致的问题。

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