分布式体系2：分布式体系中的时钟
假如把一个分布式体系类比成现代社会的协作网络，那每一个分布式体系中的节点便是参加咱们社会协作的每一个人，节点之间的通讯便是人与人之间的沟通交流，节点完结自己的核算任务也能够类比成咱们每一个人完结自己的本职作业。从这个含义上来说，现代社会协作网络的构建方针能够说和分布式体系有许多的共同的当地，比方咱们期望社会作业愈加高效（高效），咱们期望社会是安全的（安全），咱们期望社会愈加容纳和多元（异质性），咱们期望社会的作业不会由于一部分人或许组织因故不能正常参加协作而产生问题（鲁棒性）等等。虽然不是十分的谨慎，究竟人类不是只会作业的劳作机器，可是咱们或许能够凭借这个类比考虑一些分布式体系中的底子问题。
现代社会的协作网络之所以能够作业起来的最根底的确保是什么呢？我想必定是时钟的概念。人们上下班、与人约会等日常行为底子都最少要遵从必定范围内的同一个时钟，也是为什么一旦不一起区的人需求协作，就需求考虑时差的原因。同样地，在分布式体系中，每个独立的节点彼此之间需求协作，就需求遵从同一个时钟。在介绍分布式体系中的时钟之前，咱们需求先介绍两种类型的分布式体系，由于时钟的概念在这两者之间有些微的差异。
同步体系和异步体系
分布式体系，依据节点之间通讯的特色，能够分为同步体系（Synchronous Systems）和异步体系（Asynchronous Systems）。其间，同步体系对节点之间的通讯的要求较为严厉，要求节点之间的音讯推迟有必要有一个上限，这个上限能够很大，可是有必要要有。相反，异步体系则愈加挨近真实国际，它不要求节点之间的音讯推迟有一个确认的上限，乃至答应节点之间传递的音讯能够丢掉。
为什么要用节点之间的音讯传递的特色来区分体系的类型呢？答案其实很简略，任何一个分布式体系都需求依托节点之间的协作才干完结其任务，而节点之间协作的最底子的根底便是通讯。能够说，没有节点之间的通讯，分布式体系就不存在了。节点之间的通讯是分布式体系中最重要的研讨问题。
说回到同步和异步，经过这两类体系的界说不难发现，同步体系供给了很好的通讯环境，这能够使得后续的许多问题的处理变得很简略。虽然同步体系的假定十分的夸姣，可是实践国际中构建的分布式体系很难确保节点之间音讯传递推迟的上限，或许说构建一个这样的体系会有极高的本钱，也就约束了同步体系的大规模建造。因而，国际上绝大多数研讨分布式体系的作业都建立在异步体系的假定上。读者也不难发现，假如以同步体系作为假定，咱们后续评论时钟、快照和一致都能够用一个极为简略的算法完结，也只需在异步体系的假定下，上述三个问题才有了被评论的价值。
分布式时钟——Lamport时钟和向量时钟
前文说到时钟是多个独立的节点之间能够彼此协作的根底。那岂不是只需求为一切节点设置一个时钟就好了，这为什么会成为一个值得深化评论的问题呢？的确，人与人之间的协作的确只需求遵从同一个时钟，比方一致遵从北京时刻或许格林威治时刻。可是这么做的条件是时钟的差错要远远小于人们运用时刻的标准。无论是上下班、开会仍是赶高铁飞机，人们运用时钟的标准大都在分钟这个等级，乃至用到秒这个等级的状况都很少。即使不考虑国际上差错最小的铝离子光钟（三百亿年累计的差错小于一秒），即使是现在智能手机里内置的时钟，也能够供给毫秒级乃至愈加精密的计时，因而彻底不需求考虑差错形成的影响。
可是，在分布式体系中则不同，在彼此独立的节点之间保护一个一致的时钟是一个近乎不或许完结任务，没有人能确保一个分布式体系中的上百万个节点里的时钟都是从同一时刻开端，而且以相同速度计时。总的来说，物理时钟或许产生的两类差错是无法在分布式体系中被主动修正的，一个是时钟歪斜（clock skew），一个是时钟漂移（clock drift）。浅显来讲，假如节点A的时钟显现当时时刻是当天的下午两点，而节点B显现的是当天下午三点，这便是时钟歪斜；而假如这个时分节点A的时钟计时的速度比B的快，比方节点A的时钟从两点到三点实践用了59分钟，而B则实践用了61分钟，这种现象叫做时钟漂移。无论是时钟歪斜仍是时钟漂移，这两种差错都无法被分布式体系主动修正，一方面是由于不同节点的歪斜状况和漂移状况或许千奇百怪，另一方面则是假如经过通讯的办法校对，那么音讯传递的时刻是无法被精确预算的，即当一个节点向另一个节点发送一条音讯“我的当时时刻为下午3点整”，那么另一个节点接纳到这个音讯的时分，发送音讯的节点的当时时刻必定真实三点之后了，而究竟是三点一刻仍是三点一秒，没有人知道。
那该怎么处理这个问题呢？假如仔细考虑时钟在分布式体系中发挥的效果，就会发现其实并不需求一个真的显现当时时刻的时钟。在分布式体系中，时钟的效果是为了记载不同节点之间产生事情的次序，而次序某种程度上能够反响事情之间的因果联系。理解了这个道理，时钟其实也不用非得是年月日时分秒的方法，只记载事情产生的次序，就只需求为每一个事情分配一个序号即可。
最早意识到这个问题的是分布式体系范畴的大咖Leslie Lamport。他是第一个提出在分布式体系中运用逻辑时钟（Logic Clock）来处理体系大局事情排序的问题的人。Lamport提出，在分布式体系的不同节点中产生的事情，在节点内是有着天然的次序的（偏序），可是这个次序不能推行到整个分布式体系中，节点之间已然需求彼此协作，就有必要知道节点内产生的事情在整个分布式体系中的次序（全序）。可是前文现已描绘过在一个异步体系中引进一个一致的时钟是行不通的。因而，Lamport则提出运用一种逻辑时钟来为事情符号次序。
Lamport提出的办法也很简略，已然不能用肯定的物理时钟给事情排序，那就直接为事情赋予一个编号就能够了，节点之间进行通讯的时分，只需求把当时的编号奉告通讯的对方即可。
详细的办法是这样的，在一个节点内产生事情的次序是已知的，能够运用递加的编号来符号，当涉及到多个节点之间的通讯时，发送音讯的一方就需求把自己发送音讯这个事情的编号奉告接纳音讯的一方。明显，接纳音讯的一方接纳音讯这个事情的编号会有两种状况，一种是小于或许等于收到的事情的编号，一种则是大于。在逻辑上，一个音讯只需先发送出去才干被接纳到，所以当一个节点收到一个音讯，发现收到的音讯所带着的事情的编号大于自己当时的事情的编号，那么这明显是违背逻辑的，于是就需求把自己当时的时刻编号设置为大于收到音讯的编号，使之契合逻辑。这也不会引起节点内部事情次序的紊乱，由于改动编号的行为依然是只增不减。假如一切的节点都遵从这样的准则，那么整个分布式体系中，只需涉及到通讯的事情就必定有一个仅有的次序，而至于那些没有参加到通讯中的事情（并发事情），其实它们的大局次序并不重要，因而只需求在节点内部坚持递加即可。
上述过程中的事情的编号，便是大名鼎鼎的Lamport时钟。Lamport时钟坚持了事情产生的因果联系，一起也知道了整个体系中事情的相对次序。Lamport提出的逻辑时钟处理了分布式体系内部的事情全序问题，可是仔细的读者会发现，这种时钟其实只能确保参加了节点之间通讯的事情的次序，而关于没有参加通讯的并发事情，咱们依然不知道两个并发事情究竟谁先产生谁后产生。其实就满意分布式体系的各个节点能够彼此协作的需求而言，Lamport时钟就现已足够了，可是辨认并发事情涉及到资源分配和调度等一系列问题，也是分布式体系中的一大课题，此刻就需求用到Cristian等人提出了向量时钟（Vector Clock）。向量时钟能够用来辨认分布式体系中的并发事情。
在向量时钟下，每个节点应当保存一个时钟向量，向量中的每个元素是当时节点已知的，每个节点最终一个事情的序号，因而向量的巨细也应该是体系中参加通讯的节点的数量。在通讯过程中，每个节点之间发送和接纳的时刻戳，也不再是Lamport提出的事情序号，而是一个时钟向量，然后依照Lamport提出的更新准则更新这个向量，即关于时钟向量的每一个重量，将其更新为当时的最大值。有了这个时钟向量，咱们能够经过比较两个时钟向量重量的巨细来判别两个事情之间的联系，假如一个时钟向量的一切重量都大于另一个，那么这两个时钟向量之间便是具有因果联系的。只需有任何一个重量小于另一个向量中对应方位的重量，那么这两个事情便是并发的。
分布式时钟是分布式体系的根底，无论是Lamport时钟仍是向量时钟，其含义不仅是处理了分布式体系中的底子问题，其规划的底子思路也是分布式体系中中心的思想办法之一。
总结
- 为什么不能引进一致时钟；
- 同步体系和异步体系；
- Lamport时钟和向量时钟
