11、分布式系统中的协调算法：领导者选举与同步器

分布式系统中的协调算法：领导者选举与同步器

1. 引言

分布式应用依赖进程间特定形式的协调来实现目标。部分协调任务可视为一种预处理，如时钟同步、生成树构建和共识达成。本文将聚焦两种特定的协调算法：领导者选举和模型转换。领导者选举是从指定进程集中选出一个作为领导者并赋予特殊职责；模型转换则是通过同步器将异步模型转换为同步模型，因为在同步进程模型上编写算法并证明其正确性更为简单。

2. 领导者选举

许多分布式应用依赖领导者进程的存在，领导者是控制核心，负责系统级管理。例如，在客户端 - 服务器资源管理模型中，服务器可视为领导者；集中式数据库管理器也类似，负责维护读写队列并按序处理请求。当领导者失败或不可达时，需从非故障进程中选举新领导者。

2.1 领导者选举与互斥问题的区别

领导者选举与互斥问题有相似之处，即进入临界区的进程成为领导者，但二者存在三个主要差异：
1. 故障并非互斥算法的固有部分，通常不允许临界区内出现故障。
2. 饥饿问题在领导者选举中无关紧要，进程无需轮流成为领导者，只要原领导者无故障，系统可正常运行。
3. 从互斥角度看，领导者选举无需退出临界区，且领导者需告知所有活跃进程其身份。

2.2 领导者选举的形式化规范

假设每个进程具有来自全序集 V 的唯一标识符，每个进程 i 有变量 L 表示其领导者的标识符，则最终需满足条件：
∀i, j ∈V : i, j 为非故障进程 :: L(i) ∈V ∧ L(i) = L(j) ∧ L(i) 为非故障进程

2.3 恶霸算法（Bully Algorithm）