两阶段提交协议 (原文链接http://blog.youkuaiyun.com/nieanan3602/article/details/8375077)

本文以CS服务模式为例，对两阶段提交协议的背景、流程、存在的问题及解决办法等进行了讨论，最后进行了简要总结。

0. 背景

在CS服务模式中，服务器集群提供服务，客户端消费服务。当服务器数据发生变更时，需要保证服务器集群中的单台状态一致，并能够对外提供可用的服务。所谓状态一致，指的是每个单台服务器在完成变更后要数据要一致，比如在一次插入操作中，要么全部插入成功、要么全部插入失败。

客户端较少时，服务器可以为单机，如图1所示。这时，只要变更信息写入服务器并保存到本地磁盘，本次变更就成功了——这时，不存在一致性问题，但存在安全问题。

 

客户端增多时，需要采用服务器集群的方式对外提供服务，如图2所示。服务器1和2的内容完全一样，组成一个服务器集群；客户端1、2和3认为服务器集群是一个服务提供商，他们感受到的、由集群提供的服务是一样的。当产生变更时，变更信息被直接发送给不同的单台服务器，然后由单台服务器完成数据更新。假设在更新过程中，服务器1成功、服务器2失败，这时在客户端看来，服务器集群对外提供了不一致的服务——客户端1和2感受到了更新、客户端3没有感受到变更。两阶段提交协议，是为了解决这个问题而被提出的。

 

1. 协议流程

如图3所示，在两阶段提交协议中，引入了协调者。相比直接更新而言，在两阶段提交中，变更信息首先被发送给了协调者，然后由协调者去控制服务器集群的变更。

两阶段协议的流程如图4所示，描述如下：

准备阶段（prepare）

①协调者向各单台服务器发送prepare消息，询问对方是否具备变更条件；开启prepare询问超时机制

②各单台服务器收到prepare消息后，回复协调者：如果具备条件，回复yes，并挂起自身等待协调者的进一步通知；反之，回复no但不进入挂起状态

 

提交阶段（commit）

③协调者整理各单机的prepare反馈消息。如果全部单台服务器均准时回复yes，则协调者认为此次变更可以推行，于是向各单台服务器发送提交消息commit；如果存在回复no或者超时的服务器，则协调者认为此次变更不可以推行，于是向各单台服务器发送放弃消息abort。在协调者发送完commit或abrot后，其陷入等待状态，直到收到所有单台服务器的回执

④如果收到commit，则单台服务器执行本次更新，更新完毕后回执协调者c_ack（commit_ack）；如果收到abort，则单台服务器解除本地资源锁，然后回执协调者a_ack（abort_ack）

 

2. 协议存在的问题及解决思路

由协议流程的描述，可以看出很明显的问题。问题1称为“死等”，协调者在第③步会挂起，直到收到所有单台服务器的回执，如果某台服务器宕机，则协调者将永远挂起；同时，单台服务器也可能会因为等待协调者的进一步指令而挂起；此时，服务器集群将不能对外提供服务。问题2是，如果步骤③协调者发送commit给服务器1成功，在发送给2时发送了宕机，这样，服务器1进行了更新，而服务器2没有收到commit消息而不能进行更新，这样服务器1和服务器2的内容就不一致了（“脑裂”）。

对于问题1，可以采用三阶段提交的方式解决。问题2，可以采用添加观察者的方式解决。本文只讨论问题1的解决方法。三阶段提交的流程如图5所示，其中步骤①和②与两阶段提交协议相同，放弃提交的流程业余两阶段相同。

当协调者认为可以提交变更时，

③协调者首先会向各个单台服务器发送一个pre_commit消息，然后自己进入超市机制；

④如果单台服务器能够正常提交更新，则回复yes同时进入超市机制等待协调者的进一步通知，反之回复no；

⑤协调者收集各单台服务器的pre_commit回执，只有在全部服务器回复了yes的情况下，协调者发送commit给各服务器，然后终止工作；否则，发送abort消息给各服务器，然后停止工作。单台服务器执行commit或abort消息，执行完毕后停止工作。

 

由上述分析可知，两阶段提交中的挂起状态，被三阶段提交改进称为超时机制，从而解决了“死等”的问题；但不能解决“脑裂”问题。

 

3. 总结

有上述分析，两阶段提交协议很大程度上解决了分布式环境下的一致性问题，但仍然存在“死等”和“脑裂”问题；三阶段提交协议解决了“死等”问题，但不能解决“脑裂”问题，还增加了网络通信的开销。实际使用过程中，三阶段提交协议很少使用。两阶段提交不能直接使用，但其变体使用很广泛。