CRDT——解决最终一致问题的利器

    本文介绍了CRDT(Conflict-Free Replicated Data Type)及其在解决跨区域数据同步中的作用,详细讲解了CRDT的原理、不同类型的CRDT数据结构(如Counter、Register、Set)及其在多副本同步中的应用,旨在帮助读者理解如何利用CRDT实现分布式系统的强最终一致性。

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    概述

    跨数据中心的数据同步是企业提升容灾能力的必备手段,对于社交、视频直播、电商以及游戏等访问规模大、业务分布广的行业,跨区域全球部署也愈发重要。
    然而面对大型分布式系统, 不免要讨论CAP理论,在跨区域多活的场景下如何取舍?显然P(网络分区)是首要考虑因素。其次,跨区域部署就是为了提高可用性,而且对于常见的一致性协议,不管是2PC、Paxos还是raft,在此场景下都要做跨区域同步更新,不仅会降低用户体验,在网络分区的时候还会影响可用性,因此C必定被排在最后。那是不是C无法被满足了呢?事实并非如此,退而求其次,最终一致也是一种选择。CRDT(Conflict-Free Replicated Data Type)1是各种基础数据结构最终一致算法的理论总结,能根据一定的规则自动合并,解决冲突,达到强最终一致的效果。2012年CAP理论提出者Eric Brewer撰文回顾CAP[3]时也提到,C和A并不是完全互斥,建议大家使用CRDT来保障一致性。自从被大神打了广告,各种分布式系统和应用均开始尝试CRDT,redislabs[4]和riak[5]已经实现多种数据结构,微软的CosmosDB[6]也在azure上使用CRDT作为多活一致性的解决方案。
    阿里云redis现配套推出了全球多活产品[7],助力企业在云上部署跨区域服务,并且依据CRDT确保在全球多活的场景下,所有redis实例中数据最终一致。本篇文章我们会对CRDT进行简要介绍,下一篇文章将说明我们是如何实现CRDT的。

    CRDT简介

    先简单统一一下概念和名词:

    • object: 可以理解为“副本”
    • operation: 操作接口,由客户端调用,分为两种,读操作query和写操作update
    • query: 查询操作,仅查询本地副本
    • update: 更新操作,先尝试进行本地副本更新,若更新成功则将本地更新同步至远端副本
    • merge: update在远端副本的合并操作

    一个数据结构符合CRDT的条件是update操作和merge操作需满足交换律、结合律和幂等律,具体证明见[1],在此不做赘述。如果update操作本身满足以上三律,merge操作仅需要对update操作进行回放即可,这种形式称为op-based CRDT,最简单的例子是集合求并集。

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