Paxos 算法-浅显易懂的方式解析

Posted 2021-04-17 JavaStorm

Paxos 算法是一种提高分布式系统系统容错性的一致性算法 。对于一个一致性算法 有以下特点：

• 在所有被提出的提案中，只有一个会被选定。

• 如果没有提案被选出，就不会有选定的提案。

• 当一个提案被选定后，所有的节点进程都可以获取到被选定的提案信息。

• 一旦 “接受者” 接受了提议，就不能再接受其他提议内容。

算法过程

在该一致性算法中有三种参与角色。分别为 “提议者（Proposer 向 “接受者” 提出提案）”、“接受者（Acceptor 收到 “提议者” 的提议后，向提议者表达自己的意见）”、“学习者（Learner 天被确定后，学习者获取被确定的提议）”

• 第一阶段：因为存在多个 “提议者” ，如果都提出提案，那么 “接受者” 接受谁的不接受谁的？太混乱了。所以要先明确具有领袖权的提议者才有权提出提案。所以规定一些有领导权力的 “提案者” 可以提出提案。 “接受者” 们就主要去处理这个 “提案者” 的提案了。（这样，才可以在提案提出时就尽量让意见统一，谋求尽早形成多数派）。

• 第二阶段：由以上阶段选出来的主 “提议者” 提出提案，“接受者” 反馈意见。如果多数 “接受者” 接受了一个提案（达到半数以上），那么提案就通过了。

提案者选定与意见处理

1. 怎么明确意见领袖呢？通过编号。每个“提议者”在第一阶段先报个号，谁的号大，谁就是意见领袖。如果不好理解，可以想象为贿选。每个提议者先拿着钞票贿赂一圈“接受者”，谁给的钱多，第二阶段“接受者”就听谁的。（注：这里和下文提到的“意见领袖”，并不是一个新的角色，而是代表在那一轮贿赂成功的“提议者”。所以，请把意见领袖理解为贿赂中胜出的“提议者”即可）。

2. 有个跟选举常识不一样的地方，就是每个 “提案者” 不会执着让自己的提案通过，而是每个 “提案者” 会执着于让提议尽快达成一致意见。所以为了这个目标，如果 “提案者” 在贿赂的时候发现 “接受者” 已经接受了前面意见领袖的提议，即便 “提议者” 贿赂成功，也会默默地把自己提案修改成前面意见领袖的提议（这样就会更快的达到多数派）。

3. 钱的多少很重要，若果钱少了，无论第一还是第二阶段 “接受者” 都不会接受，直接拒绝。

4. 上面 2 中提到如果 “提案者” 在贿赂的时候发现前面已经有意见领袖的提议，那就将自己的提议默默地改成意见领袖的提议。但是这里有一种情况，如果你是 “提议者” ，在贿赂的时候， “接受者n” 回复你说 “他收到的意见领袖的提案是 方案 n ”，而 “接受者 n + 1” 回复你说 “他收到的意见领袖提议的方案是 n + 1”。这时候我们该怎么办。原则很简单，还是： “钱的多少重要！”，你就判断下 “是接受者 n ” 见过的意见领袖有钱还是 “接受者 n + 1” 见过的领袖提议者有钱。你就把自己的提议改成意见领袖钱多的那个 提议。

5. 在整个选举过程中，每个提案者谁先来后到，“接受者” 什么时候收到 “提案者” 的提议是完全不可控的。所以有可能一个意见领袖已经产生了，但是由于这个意见领袖的第二阶段才刚刚开始，很多 “接受者” 还没有收到这个意见领袖的提案。这时候突然来了一个新的土豪 “提案者” ，那么这个土豪也是有可能让自己提案胜出。会出现这样的博弈现象：

• 上一个意见领袖要赶在土豪 “提案者” 贿赂到 “接受者” 前接受自己的提案，否则会因为自己之前贿赂的钱少于土豪被拒绝。

• 土豪 “提案者” 要赶在上一个意见领袖者将提议传达给 “接受者” 前贿赂到 “接受者”，否则土豪 “提议者” 基石贿赂成功，也要默默地将自己的提议改成前任领袖的提议内容。不管怎么样，最终先得到多数 “接受者” 的认可，那么这个提议就胜出了。

总结

1. Paxos 算法包括两个阶段：第一阶段主要就是贿赂，还没有提出提议；第二个阶段就是根据第一阶段的结果，明确接受谁的提议，并且明确提议的内容（这个提议可能是贿赂选取胜出的 “提案者” 自己的提议，也可能是前任意见领袖的提议）。

2. 编号（贿赂金额大小）很重要，无论哪个阶段，编号小的都会被拒绝。

3. 在第一阶段中，一旦 “接受者” 已经接受了前面的意见领袖的提议，后面再来找这个 “接受者” 的 “提议者” ，即便是贿赂胜出，也要老实的把自己的提案内容改成前面领袖提议的内容，这点尤为重要。接着这个 “提案者” 也会在第二阶段提出改变后的提议（为了一件快速达成一致）。如果 “接受者” 之前没有接收过任何提议，那贿赂成功的 “提议者” 就可以提出自己的提议了。

简单示例说明

有两个 “提案者” 和三个 “接受者”

1. 首先 “提案者1” 贿赂了 3个 “接受者”。也就是第一阶段 

2. 三个 “接受者” 记下贿赂的金额大小，目前只有一个 “提案者” 出价贿赂，因此 $1就是最高的，所以 3 个 “接受者” 返回 “提案者1” 贿赂成功。另外，因为没有任何先前的意见领袖提出提议，因此 “接受者” 们告诉 “提案者1” 之前没有接受过提议，自然也就没有上一个意见领袖贿赂金额了。

3. “提案者1” 准备执行第二阶段： 向 “接受者1” 提出了自己的提议：内容为 1 号提议，并告诉自己之前贿赂的金额$1。

4. “接受者1” 检查了下，目前贿赂的金额就是 $1，于是就接受了 这个提议，并且把 1号提议的内容记录在案。

5. 在 “提议者1” 向 “接受者2”、“接受者3” 发起提议之前，土豪 “提议者2” 出现了，他开始使用 $2贿赂 “接受者1“ 和 “接受者2”。 

6. “接受者1” 和 “接受者2” 就被土豪 “提议者2” 收买了，将贿赂金额改成了 $2，但是，不同的是 “接受者1” 告诉响应 “提案者2” ，之前已经接受过 “提案者1” 提出的1号提议了。而 “接受者2” 告诉 “提案者2” 之前没有收到过其他领袖的提议。

7. 这时候 “提案者1” 回神了，他向 “接受者2” 和 “接受者3” 发起 1号内容提议，并且携带之前贿赂过金额 $1的信息。

8. “接受者2” 和 “接受者3” 开始回复：“接受者2” 检查了下自己记录的金额$2，然后便是已经有人出价 $2了，而你之前出的$1，不再接受你的提议。但是 “接受者3” 检查了自己记录的贿赂金额就是$1，于是就接受了这个提议内容，并且把1号提议记录在案。

9. 到这里，“提案者1” 已经获得了两个接受者的赞同，达到了 半数通过的场景。于是 “提案者1” 确定了一号提议内容最终通过。

10. 我们再回到 “提案者2” ，之前贿赂了 “接受者1” 和 “接受者2”，并且被 “接受者1” 告知： “之前已经接受过一号提议了，并且最高金额是$1”。这个时候 “提案者2” 拿到信息后判断一下，目前就是1号提议内容，就默默地把自己的提议内容改成了 1号。然后向 “接受者1” 和 “接受者2” 发起提议，提议内容已经变成 1号。并且携带信息之前已经贿赂过金额 $2。

11. “接受者1” 和 “接受者2” 收到 “提案者2” 的提议后，继续按照之前流程 对比下贿赂金额，记录的是之前贿赂的金额 $2,所以就接受了提议，其实就是 “提案者1” 提出的内容。就这样最终1号提议内容通过。