分布式系统与一致性

第1部分　开 篇
第1章 分布式系统的核心特性：一致性 2
1.1 拆分是解决大规模应用的本质 2
1.2 分布式技术是大规模应用的最后一个考验 4
1.3 一致性是这个考验的核心 6
第2部分　系统案例
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第1部分　开 篇
第1章 分布式系统的核心特性：一致性 2
1.1 拆分是解决大规模应用的本质 2
1.2 分布式技术是大规模应用的最后一个考验 4
1.3 一致性是这个考验的核心 6
第2部分　系统案例
第2章 Google的文件系统 8
2.1 GFS的外部接口和架构 8
2.1.1 GFS的外部接口 8
2.1.2 GFS的架构 9
2.2 GFS的写流程细节 11
2.2.1 名字空间管理和锁保护 11
2.2.2 租约 11
2.2.3 变更及变更次序 11
2.3 GFS的原子性 13
2.3.1 write和record append的区别 13
2.3.2 GFS中原子性的含义 14
2.3.3 GFS中多副本之间不具有原子性 15
2.4 GFS的松弛一致性 15
2.4.1 元数据的一致性 15
2.4.2 文件数据的一致性 15
2.4.3 适应GFS的松弛一致性 16
2.4.4 GFS的设计哲学 17
参考文献 18
第3章 开源的文件系统HDFS 19
3.1 HDFS的外部接口和架构 19
3.1.1 HDFS的外部接口 19
3.1.2 HDFS的架构 20
3.2 HDFS的写流程细节 21
3.2.1 打开文件 22
3.2.2 pipeline写入 22
3.2.3 上报block状态 24
3.2.4 关闭文件 24
3.2.5 DN定期上报信息 24
3.3 HDFS的错误处理 25
3.3.1 DN的错误 25
3.3.2 NN的错误 26
3.3.3 客户端的错误 26
参考文献 29
第4章 Google的BigTable系统 30
4.1 BigTable的外部接口和架构 30
4.1.1 表 30
4.1.2 数据 31
4.1.3 原子性 32
4.1.4 时间戳 32
4.1.5 BigTable的数据模型 33
4.1.6 BigTable的架构 34
4.2 BigTable的实现 35
4.2.1 tablet location 35
4.2.2 tablet的指派 36
4.2.3 加载tablet 36
4.2.4 tablet的读/写操作 37
4.2.5 合并 38
参考文献 38
第5章 文档数据库MongoDB 39
5.1 MongoDB的外部接口和架构 39
5.1.1 MongoDB的基本概念 39
5.1.2 MongoDB的架构 39
5.2 MongoDB的standalone模式 40
5.2.1 MongoDB的写入过程 40
5.2.2 无确认导致的丢失更新异常 40
5.2.3 未持久化导致的丢失更新异常 41
5.3 MongoDB的replica set模式 42
5.3.1 MongoDB的复制过程 43
5.3.2 无副本确认导致的丢失更新异常 44
5.3.3 不正确选主导致的丢失更新异常 45
5.3.4 脑裂导致的丢失更新异常 47
5.3.5 缺失任期信息导致的丢失更新异常 48
5.3.6 脏读异常 51
5.3.7 陈旧读异常 52
第6章 消息系统RabbitMQ 54
6.1 RabbitMQ简述 54
6.1.1 关于broker 54
6.1.2 RabbitMQ的接口 55
6.1.3 镜像队列 55
6.2 RabbitMQ的基本实现 55
6.2.1 镜像复制 55
6.2.2 镜像加入队列 56
6.2.3 镜像同步过程 56
6.3 master切换及RabbitMQ的异常处理 57
6.3.1 意外宕机后的master切换 57
6.3.2 主动运维后的master切换 57
6.3.3 意外宕机与主动运维的默认行为差异 58
6.3.4 网络分区后的master切换 58
6.4 确认机制 59
第7章 协调服务ZooKeeper 60
7.1 协调服务的应用场景 60
7.2 ZooKeeper简述 61
7.2.1 ZooKeeper的数据模型 61
7.2.2 ZooKeeper的外部接口 62
7.2.3 ZooKeeper的架构 63
7.3 ZooKeeper的实现细节 65
7.3.1 客户端异步处理 65
7.3.2 请求处理器 65
7.3.3 原子广播 67
参考文献 68
第8章 Google的Spanner数据库 69
8.1 Spanner的数据模型 69
8.1.1 带模式的半关系型表 69
8.1.2 通用事务 71
8.2 Spanner的架构 72
8.3 Spanner的实现 73
8.3.1 tablet与存储 73
8.3.2 复制 73
8.3.3 TrueTime 74
8.3.4 事务 75
8.3.5 目录 80
8.3.6 Paxos的作用 80
8.4 TrueTime的作用 81
8.4.1 Spanner的外部一致性 81
8.4.2 TrueTime生成事务时间戳 82
8.4.3 TrueTime管理leader租约 83
8.4.4 TrueTime作用的总结 85
参考文献 85
第9章 分布式数据库CockroachDB 86
9.1 CockroachDB的接口和数据模型 86
9.2 CockroachDB的架构 87
9.3 元数据存储的实现 88
9.4 多副本存储的实现 90
9.5 事务的实现 92
9.5.1 单个事务的执行 92
9.5.2 多个事务串行执行 94
9.5.3 事务的并发执行 96
参考文献 106
第3部分　分布式算法
第10章 共识算法Paxos 108
10.1 Paxos的历史 108
10.2 Consensus vs Paxos 110
10.3 Basic Paxos算法 111
10.3.1 共识问题 111
10.3.2 算法简述 113
10.3.3 选择值过程 115
10.4 Multi Paxos 算法 132
10.4.1 多个实例 132
10.4.2 独立实例运行的完整Paxos算法 132
10.4.3 只运行一次prepare消息的完整Paxos算法 137
10.5 复制状态机 144
10.6 Paxos算法与复制状态机 146
10.6.1 Paxos算法实现复制状态机 146
10.6.2 空洞处理 147
10.7 原子广播 148
10.7.1 原子广播协议 148
10.7.2 原子广播的模型 148
10.7.3 原子广播的特性 149
10.8 Paxos算法与原子广播 149
10.8.1 Paxos consensus实例与原子广播 149
10.8.2 Paxos的角色与原子广播 150
参考文献 151
第11章 复制日志算法Raft 152
11.1 Raft是复制日志的算法 152
11.2 Raft算法的组成 153
11.3 复制过程 153
11.4 选举过程 154
11.4.1 选举的基本条件 154
11.4.2 任期 155
11.4.3 完整的选举过程 156
11.5 异常处理 157
11.5.1 不一致异常 157
11.5.2 一致性检查 160
11.5.3 不提交旧的leader的entry 160
参考文献 162
第12章 原子广播算法Zab 163
12.1 Zab算法简述 163
12.1.1 设计的Zab算法与ZooKeeper中实现的Zab算法 163
12.1.2 Zab算法的阶段 164
12.2 各版本Zab算法的共有部分 164
12.2.1 Zab算法的基本概念 164
12.2.2 Zab算法的broadcast阶段 166
12.2.3 Zab算法的消息通道 169
12.2.4 Zab算法的broadcast阶段的特性 170
12.2.5 已提交的提议 170
12.2.6 故障处理 170
12.3 设计的Zab算法 172
12.3.1 Phase0：election阶段 173
12.3.2 Phase1：discovery阶段 174
12.3.3 Phase2：synchronization阶段 174
12.3.4 Phase3：broadcast阶段 175
12.3.5 设计的Zab算法的问题 176
12.3.6 设计的Zab算法处理leader故障 176
12.4 Zab Pre 1.0算法 177
12.4.1 leader election阶段 177
12.4.2 recovery阶段 177
12.4.3 Zab Pre 1.0算法处理leader宕机故障 178
12.4.4 Zab Pre 1.0算法的缺陷 179
12.5 Zab 1.0算法 179
12.5.1 Phase0：leader election阶段 180
12.5.2 Phase1：discovery阶段 180
12.5.3 Phase2：synchronization阶段 181
12.5.4 Zab 1.0算法处理leader宕机故障 181
参考文献 182
第4部分　一 致 性
第13章 事务一致性与隔离级别 184
13.1 ANSI的隔离级别 185
13.1.1 ANSI的隔离级别定义 185
13.1.2 对一致性的破坏 186
13.1.3 脏写 188
13.1.4 锁机制 188
13.2 SI和SSI隔离级别 190
13.2.1 MVCC 190
13.2.2 SI隔离级别 190
13.2.3 SSI隔离级别 192
参考文献 192

第14章 顺序一致性 193
14.1 顺序一致性的正式定义 193
14.1.1 顺序一致性应用的范围 193
14.1.2 顺序一致性的定义 194
14.1.3 核心概念的解释 195
14.1.4 定义解析 198
14.1.5 在分布式系统中的定义 200
14.1.6 举例说明 200
14.2 理解顺序一致性 202
14.2.1 顺序排序 202
14.2.2 程序顺序 202
14.2.3 顺序一致性是严苛的 203
14.3 顺序一致性的其他描述 204
14.3.1 第一种描述：全局视角一致 204
14.3.2 第二种描述：允许重排序 205
14.4 顺序一致性的作用 206
14.4.1 并发条件 206
14.4.2 原子性 207
参考文献 209
第15章 线性一致性与强一致性 210
15.1 什么是线性一致性 210
15.1.1 预备概念 211
15.1.2 定义 213
15.2 判断系统是否满足线性一致性 213
15.3 对线性一致性的理解与强一致性 216
15.3.1 线性一致性的其他描述 216
15.3.2 线性一致性与顺序一致性的比较 217
15.3.3 强一致性 218
15.4 ZooKeeper的一致性分析 219
15.4.1 ZooKeeper是顺序一致性的 219
15.4.2 ZooKeeper的一致性的作用 221
15.4.3 ZooKeeper的一致性的描述 222
参考文献 223
第16章 架构设计中的权衡 225
16.1 什么是CAP定理 225
16.1.1 CAP历史：从原则到定理 225
16.1.2 CAP的定义 226
16.1.3 CAP定理下的三种系统 226
16.1.4 深入理解CAP定理中的P和A 227
16.2 关于CAP定理的错误理解 228
16.2.1 不是三选二，不能不选P 228
16.2.2 不是三分法 229
16.2.3 不该轻易放弃任何一个属性 230
16.3 CAP中的权衡 230
16.3.1 弱CAP原则 230
16.3.2 CAP推动NoSQL 231
16.3.3 分布式系统中的可用性和一致性 231
16.4 进一步权衡：HAT和PACELC 231
16.4.1 HAT 232
16.4.2 权衡 234
16.4.3 PACELC 234
参考文献 235
· · · · · · (收起)