paxos分布式一致性算法--讲述诸葛亮的反穿越

0、引子

一日，诸葛亮找到刘备，突然献上一曲《独角戏》，而后放声大哭。刘备正沉醉于新曲，暗叹孔明大才，竟作得如此不凡仙乐，看到孔明忽而大悲，慌问：“水，何事悲恸？”

诸葛亮止住抽泣：“亮自主公三顾茅庐出山以来，蒙主公厚爱，自比如鱼得水，敢不尽力？然每日击鼓升帐，皆亮一人在上唱独角戏，众将在下唯唯诺诺，只是照亮的安排做事。如此下去，亮日后定会被司马懿那厮累死呀。”
刘备眨着充满问号的大眼睛：“孔明可是说曹贼丞相府小小的主薄司马懿？他有何德何能。。。”
诸葛亮慌打断：“亮心有些乱，且不提司马懿那小子。”
诸葛亮正襟危坐：“主公，我们要法制不要人制呀！万一哪天亮西去。。。”（刘备止含泪花握住孔明双手，孔明亦紧紧反握住刘备的大手）
半晌，诸葛亮续道：“岂不人亡政息？且主公百年后，阿斗与亮的关系又怎能比得如今亮与主公般相敬如宾？若亮在外争战，阿斗与亮政见不合要亮退兵，决策没有一致性，必将造成大错！如此，我大蜀何以恢复汉室江山呀？！”
刘备：“备深感如此。”
诸葛亮：“亮昨夜夜观天象。。。”
刘备大喜：“孔明可有良法？”
诸葛亮：“。。。亮昨夜夜观天象，竟然睡着，原来近日太耗心力。做一梦，数千年弹指间，亮醒来才觉泪流满面。梦中一帅哥自称陶辉，献上色目人大牛Leslie一法名paxos，或可解我等燃眉之急。”
刘备狂喜：“好！”继而搔了搔头：“先请孔明试言我大蜀帝国决策上有哪些问题？”
诸葛亮：“喏。”



1、蜀国现在决策制度的缺陷
诸葛亮：“主公，当下蜀国所有决策皆来自亮，这有两个问题，一、若亮身体有恙则政令必有耽误。二、随着汉中的收复，我们的地盘越来越大，事务也越来越多，目前亮乃五百年不世出奇才，尚能支撑，可若是将来收复长安，亮一人之力必不堪重负。请问主公有何策解此二难？”

刘备沉吟着：“可让法正法孝直，黄权黄公衡为你副手，平日助你共同议政决策，能帮你减负呀。孔明你老习惯在初一十五深入民间依红偎翠，那时他们都可暂时顶替于你，如此也不怕政令耽误了。”
诸葛亮咳嗽了下：“此二人皆治世之才！然，若子龙请求黄公衡允许蜀棉私营，而同时主公又请求亮加强垄断这有钱途的行业--禁止蜀棉私营，文武百官令行两出，或听亮的搞国家垄断，或听黄公衡的搞民营经济，百姓何以自处？”

刘备沉思半晌，方答道：“我们把决策分为两部分，一种是新增政策，如我正准备加税。另一种是下级官员请求政令的解释，比如马超出征归来时问伤兵抚恤金是多少等等。这样，孔明可处理所有新增决策，法正与黄权只负责解释已有决策。下面官员在执行时，任意找你三人中清闲者，就某个事件询问有何政令可指导，需要增加新的法令时，则只能找孔明你，孔明你决定新法令后，再通知法正和黄权这哥俩，这样法令就同步且一致了。当孔明不在时，由法正顶上这个决策位置；法正不在时，由黄权顶上。如此可好？”
诸葛亮惊喜道：“善！这可是master-slave设计呀！”
刘备也睁大了双眼闪着问号。诸葛亮咳嗽了下：“亮昨夜未睡好，失言了。”

诸葛亮又说道：“可这样还有问题，日后若我们收复许昌洛阳建业后，那时新法令会更多，只允许一人处理新法令新决策，必然还会忙不过来！而且，人为的指定亮的第二顺拉继承者是法正，黄权为第三顺位，这样也不妥，在地位不平等时，若以后决策组又增加许多新人，或者同一时间多人一起吃酒吃坏肚子，都会非常麻烦。”

刘备拍案而起：“孔明你主张大家都是同样地位，没有主次之分？这样无论哪个人出问题了，都不会对蜀国有什么影响？而且多人之间信息共享后，不会因人废事，也不会有人亡政息之事了？”
诸葛亮：“Bingo！ 全对！这是真正的分布式！”
刘备大声叫好：“分布式？好名字，和八阵图一样响亮呀！”
诸葛亮：“但这完全平等的分布式决策机制，仍然必须政令统一，不能有不一致的法令，例如黄权认为他昨天中午通过的法令是嚼口香糖者一律杖责十板，免得有人随地乱吐影响市容（好象他们还立法大便后必须冲马桶）。而法正却在昨天上午就接受番邦李光耀的提议，允许嚼外国进口环保口香糖，百姓到底听谁的呢？”
刘备：“我知道孔明你很讨厌威权国家，别老抱怨，新加坡又没碍你事。上面这就是一致性问题了。孔明别卖关子了，快说你的paxos解决方法吧。”



2、paxos需要解决的分布式问题
诸葛亮激动道：“paxos可是真正的民主呀，两千年后我们汉人仍然做不到，这不是汉人的劣根性（乌坎村都能办好的），实是历史遗毒呀。闲话少叙，我们先来看看除了能保持一致性，paxos能解决哪些问题吧。

一、决策委员会里缺了哪个人都可以，蜀国照常做出决策。

二、大家的办公地又不在一起，平时通过信使小吏们传递消息，若信使在路上传消息时被马车撞死，仍然不会有政令不一致。

三、若信使被马车撞伤了，医治后迟了几个月才送到某人（例如法正），还不会出现政令不一致。

四、若信使被马车撞失忆了，以为刚送过消息的黄权还没送过，又跑去告诉黄权一次，同样不会有不一致出现。”
刘备：“孔明，我知道你马车机关多，开名车也不用总提嘛！若是信使被曹操的间谍收买了也没事吗？”
诸葛亮尴尬道：“这个不行，我们还是要相信人性本善嘛。呃，蜀国大部分都是好人。嗯，好吧，我们国安局不是吃干饭的，信使可以丢失、重复传递、延迟，但是我们保证不会被收买的。”
刘备：“好吧，能解决这四个问题也很不错，基本异常都考虑到了。快说说这个paxos解决之道吧。”



3、paxos的约束条件
诸葛亮：“刚刚不是说了民主吗？民主是个宝呀，它能解决一切问题。决策者之间不分高下，所以既然想要他们保持一致，我们就要用投票，少数服从多数！”
刘备：“怎么个投法？”
诸葛亮：“如果主公手下五虎上将是五个决策者。。。”刘备：“那五个肌肉男？”
诸葛亮：“正是，这证明即使五个头脑简单的武夫也能做好。”（五虎将齐打喷嚏。）
诸葛亮：“谁提议新政令（提案者），谁就发起投票。我们保证，投票者必须是决策者中的大多数。”
刘备：“怎么定大多数呢？”
诸葛亮：“任意两次投票中，必须有重合的决策者，这就是大多数了。比如五虎将做决策者，每次政令通过中，必须有三个人或更多投票的人才能决定，这样两次投票中至少有一人都参加了，他就可以拍板！对提案者来说，如果大多数投票者都投赞成这个提议，法令就通过。”
刘备沉重地说道：“孔明，万一总是凑不成大多数，岂不是耽误我们的现代化进程？民主，对中国国情来说，太复杂了。”

诸葛亮又激动了：“主公，不复杂的，长远来看好处很明显，不要短视！如果能做到以个三个基本点，所有政令绝对不会出现不一致，而且不会出现无法进行下去的事。一、所有政令必须被提出后才能批准；二、一次提出政令的过程中，只能批准一条政令；三、书记官（负责永久记录政令的官员）只能学习已经批准的政令。只要做到这三点，肯定不会政令不一致！”
刘备：“可是孔明，你在说什么呀？我只想知道决策者该怎么做。”
诸葛亮自信满满：“别急主公，从数学上可以证明，只要满足上面三条，一定不会出现政令不一。当然，这三条太宽泛了，不能对决策者做出指导。我还有更加严格的约束。一、每个决策者必须接受他收到的第一个提议政令。”
刘备：“凭什么呀？”诸葛亮：“我们要假定提议者已经搞清楚了一切，肯定是好提案啦。这不是我们的重点，别打断我。”
诸葛亮：“二、一旦关于一件事，我们通过一条法令后，之后关于这件事通过的任何法令，都还得是这个法令。”
刘备呆了下：“这不废话吗？”
诸葛亮自信满满：“虽然是废话，但你想，保证了这第2条，是不是所有的政令都必须一致呀？”
刘备：“可是对决策者没指导意义呀。”
诸葛亮自信满满：“是的，所以，我们加强约束，三、如果一条法令批准后，之后每一个决策者如果关于这件事又通过法令，那这个法令还得是同一条。”
刘备傻了：“你说得是没错，可这有什么用呢？”
诸葛亮自信满满：“所以继续加强约束：四、如果一条法令被批准通过了，之后提议者关于这件事，又提新法令，必须还得是同一个法令。”
刘备怒了：“孔明我想揍你了，你说这些有个屁用啊！”
诸葛亮自信满满：“别急主公，现在我要祭出最强约束条件作为我的奥义了：五、每个提案都得有个独一无二的编号，如果编号N的提案通过了，那么大多数决策者们，要么从没接受者编号小于N的任何提议，要么最近一次批准通过的法令就是这个提案。”
刘备开始追打诸葛亮：“孔明你个坏人，你玩我呀！这屁话你对我说！”
诸葛亮边逃边喊：“wiki里就是这么解释的，哎，主公你不懂数学别打我嘛。Leslie的论文也是这么写的。。。”



4、paxos执行流程
刘备：“真爽，孔明你手感不错。说点实在的吧，不懂的东西少扯。”
诸葛亮：“主公，你不懂数学嘛。好吧，我来说说paxos算法的流程，就三段式，六个步骤而已。角色包括，提案者，决策者，书记官（学习政令的）。
一、提案者先从主公那里搞到个独一无二的编号，例如N。找到决策者们的多数派，就说五虎将吧，找到三个肌肉男先。假设，这个提案者来自成都，想提的是，外地蜀国将级官员不得无故进入魏国使者驻蜀驿馆。那么，提案者发给三个五虎将，提案中说，我现在有个编号N的提案，关于蜀国高级将领进出魏国使者驿馆的事，请回答我。”

二、五虎将们收到了关于使者驿馆事件的提案，编号是N。其中任一个决策者，比如赵云，他在收到N提案后，首先检查，之前关于魏国使者驿馆事件，有没有收到过提案啊？如果没收到，当然回复提案通过，同时赵云拿出自己的小本本记上，已经回复编号N的提案。如果收到过关于驿馆事件的编号M的提案，就检查编号M，如果M大于N，那么跟信使说，我拒绝这个提案。如果M小于N，回复通过，并且说，关于这事，上次我已经收到了编号M的提案了。

三、提案者如果收到多数决策者的通过回复，就开始正式提议了。这时，先检查五虎将的回复，如果都简单的回复通过，那么就正式提议之前想提议的《蜀国将级官员不得无故进入魏国使者驻蜀国驿馆》提案。如果决策者们不是简单的回复通过，而是说：这次我赵云通过了，但是我曾经回复过编号M的提案。这样，提案者需要从这次决策者们的回复中，找出所有编号M中的最大值。假设就赵云复杂的回复了，其他四人都是简单的回复通过。那么，提案者这次不能正式提议自己原来想提的，而要提议编号M对应的提案。

四、同第二步骤一样，五虎将们根据二步骤的准则，选择通过还是不通过。
五、提案者如果发现多数决策者同意了，意味着法令通过，这时他要记录法令，同时告诉书记官们。
六、书记官们在羊皮纸上记录法令。“



5、paxos算法里的各角色该做的事
刘备搔搔头：“孔明，你再说说提案者，决策者要做的事吧，书记官的很简单，就不用说了。”
诸葛亮：“主公，书记官的工作不简单啊，信使会传丢消息的，书记官也会生病的。我们既要在法令通过时主动通知书记官，又要允许书记官在对法令不清楚时过来主动询问。不过，既然主公想多了解提案者和决策者的工作，我就来详细说说。
一、提案者。首先他得从主公那搞来一个独一无二的编号。”
刘备：“我很忙的孔明，我是一把手哎。”
诸葛亮有些无奈：“就光给编号也不干呀！那让他们自己维护自己的编号吧，遇到编号相同时，按级别排序，例如按关羽、张飞、赵云、马超、黄忠排序。然后要找到五虎将的多数派，例如关张赵这三人，发自己要决定的事以及编号过去。这是第一步。在第三步时，又到了提案者要做工作了。如果关羽又不响应自己了，那么再发给黄忠问问看。直到有大多数人响应自己。对于响应的处理，有以下情况：
A、这些响应中，如果有人明确拒绝，比如赵云说，关于驿馆事件，我已经批了编号大于N的提案，那么这次提案最好就放弃吧，或者加大自己的编号，重复第一步再提！
B、张飞说我可以通过，但是之前我批准过驿馆事件编号小于N的提案，内容是允许进入达到政治避难目的。那么，这次提案内容必须变更为张飞之前提交的方案。
C、所有人都无条件通过。继续正式提交自己的方案。
到第五步，如果多数派批准了，那么方案正式成为法令。提案者要告诉书记官记录哦。”
刘备：“你这么说我就明白了嘛。多简单？先前搞七搞八的说了一大通。”
诸葛亮：“唉，先前的证明嘛。当然，微软还搞了个两段式提交，号称fast paxos，那个雅虎的zookeeper也是的，其实也就对第五步做了优化。主公，不要打我，你不用管我刚才说了什么。我们继续说决策者的工作。
第二步，决策者开始工作了。例如还是说赵云，他在收到N提案后，首先检查，之前关于魏国使者驿馆事件，有没有收到过提案啊？如果没收到，简单的回复提案通过，同时赵云拿出自己的小本本记上，已经回复编号N的提案。赵云同时承诺，以后收到编号小于N的关于驿馆事件的提案，保证不批！如果收到过编号M的提案，检查这上次编号M，如果M大于N，那么跟信使说，我拒绝这个提案。如果M小于N，回复通过，并且说，关于这事，上次我已经收到了编号M的提案了。
第四步决策者批准时也和上面一样。不过fast paxos等两段式的paxos改进算法，在这里决策者们已经可以记录法案了。”
刘备：“好孔明！我有些明白了，不过光说不练假把式，演习下吧。把五个肌肉男叫来，你我来提案，外加捣乱，你可以用你的跑车撞信使了，看看是否出现不一致。”
诸葛亮：“No problem。不过现在我口干舌燥，咱们下回再说吧。”（想从具体的演习，从时间和各种容错上看paxos的效用，敬请期待下篇《paxos算法如何容错的--讲述五虎将的实践》http://blog.csdn.net/russell_tao/article/details/7238783）

两人携手扬长而去。