阿里的OceanBase数据库世界第一，底层原来是用了Paxos协议

Posted 2021-04-17 愚公要移山

前段时间相信都被阿里的OceanBase数据库刷屏了，它击败世界头号数据库厂商Oracle，登顶全球第一。先不看新闻内容，光是看标题就足以让人耳目一新了。又是“击败”，又是“第一”，又是“打破世界纪录”。即使是IT行业的门外汉，相信也会对这个消息感到振奋。但是你知道其底层其实使用的Paxos协议吗？如果你不知道也没关系，这篇文章主要就是让你理解Paxos协议到底是个什么东西？

一、从分布式理论说起

我们知道分布式架构中有一个基础的CAP理论，也就是我们的系统最多只能满足数据一致性(Consistency)、可用性(Availability)和网络分区容忍(Partition Tolerance)三个特性中的两个。

在互联网中的大多数场景，其实都是牺牲了强一致性来换取系统的可用性。举个例子，就好比是在网上买衣服，我们明明看到还有一件，但是付钱的时候却提示没有了，这就是牺牲了强一致性，但换来的就是我们的系统可用。

但是这并不是说我们的强一致性没有什么用，系统往往只需要保证“最终一致性”，只要这个最终时间是在用户可以接受的范围内即可。就好比刚刚那个例子，付款的时候最终会显示衣服已经没有了。

为了实现最终一致性，有几个方案，比如有名的2pc协议和3pc协议，但是都有着各种各样的问题，这时候一个非常牛的人出来了，名字是莱斯利·兰伯特，提出了一个非常强大的分布式一致性算法Paxos。也就是阿里所使用的。

二、故事叙述

我们想要理解Paxos协议，最好的方式就是通过例子，因此我也举了一个非常简单的例子。

从前有座山，山里有座庙，庙里有一群和尚。庙里的所有事都有一群特殊的和尚决定，我们叫这些特殊的和尚为长老吧。庙里面有什么重大的决议都是大家商量着来，因此大家可以提出一个提议（Proposal），但是提议可能有很多，比如一号提议，二号提议等等，于是给这些提议加了一个编号。每个提议都需要超过一半的长老们同意才能生效。

如果一个提议没有通过，那就再拿出一个提议，这个大家应该能理解，每一个长老，只会同意大于当前编号的提议。现在问题来了，庙里面的香火钱考虑是否修建新的房子。针对这件事大家议论纷纷。但是最终要有一个确定性方案。这就是Paxos协议的大致流程，大概意思就是少数服从多数的一致性协议。

它分为两个阶段：

第一阶段（预提案）：

（1）寺庙提议者先选择一个提案编号N，并且将该编号的预提交请求Prepare(N)发送给寺庙的长老们。

（2）长老们收到预提案请求Prepare(N)，比较存储的最大提案编号PN与N的关系：如果PN < N，则先令PN = N，并且同意提议者请求，发送当前长老们的最大提案编号PN(等于N)和最后一个批准的数据Value(可能为空)。否则，拒绝请求，同样发送发送当前长老们的最大提案编号PN(等于N)和最后一个批准的数据Value(可能为空)。这个部分的意思就好比是逐个表决，及时更新赞同最多的方案。

第二阶段（提案）：

（1）当预提案Prepare(N)被大多数长老同意时（PN=N），则做出以下提案：

如果所有接收到的PrepareResponse(PN, Value)中Value全部为空（长老们还未批准任何提案），则自己制定一个该值的取值Vn，并向acceptor集合发送提案：Proposal(N, Vn) 。

如果接收到的PrepareResponse(PN, Value)集合中存在不为空的Value，则选取Value不为空的PrepareResponse(PN, ValueNotNull)集合中PN最大的值(PNmax, ValueNotNull)，并将其作为提案发送给长老：Proposal(PNmax, ValueNotNull)

（2）如果一个长老接收到一个提案编号为N的提案Proposal(N, Vn)则：

如果PN为空或者PN < N，则先令PN = N，Value = Vn，并且通过该条提案，返回:ProposalResponse(PN, Value) 。如果PN == N并且Value为空（尚未批准提案号为PN的任何提案），则先令Value = Vn，并且通过该条提案，返回:ProposalResponse(PN, Value) 。如果PN > N则拒绝该提案，回:ProposalResponse(PN, Value)

上面这张图就是paxos协议的演示，到这一步不知道我们心中会有疑问嘛，也就是如果只有俩长老，每次的提案每个人都只支持一个，这样会无求无尽。仅此我们还有必要对这种情况进行一个分析。

三、活锁和选主

当某一proposer提交的proposal被拒绝时，可能是因为acceptor 承诺返回了更大编号的proposal，因此proposer提高编号继续提交。如果2个proposer都发现自己的编号过低转而提出更高编号的proposal，会导致死循环，这种情况也称为活锁。

为了保证流程的执行，我们必须选出一个主proposer，作为提案的唯一人选。如果主proposer能和大数派的集合进行通信，并且使用了一个比所有已经批准的提案号都大的编号，那么它就能成功产生被接受的proposal。批准拒绝已有的提案并且批准更高的提案号，主proposer最终会选择到一个足够大的提案号，最终使用提案被选定，从而达到数据一致性的目的。

关于paxos协议的基础知识我先写这么多，如有问题还请批评指正。

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