强一致性、顺序一致性、弱一致性和共识

提到分布式架构就一定绕不开“一致性”问题，而“一致性”其实又包含了数据一致性和事务一致性两种情况，本文主要讨论数据一致性（事务一致性指ACID）

复制是导致出现数据一致性问题的唯一原因。

如果只用一台数据库来处理所有的写入和读取请求，就一定不存在数据一致性的问题。 但在中大型项目中，我们却经常需要将一份数据存储在超过一台数据库中（即复制），原因有三：

1、即使一部分数据库出现故障，系统也能正常工作（高可用）

2、使数据与用户在地理上接近（降低延迟）

3、扩展可以处理读请求的机器数量（可扩展性、提高读取吞吐量）

本文假设数据集非常小，每台机器的空间都足够保存整个数据集，否则将会引入一个新的话题“分区”。本文假设使用单领导者的主从复制算法，即只有一台数据库可以处理写请求（称为领导者或主库），所有数据库都可以处理读请求（除主库外其他都是追随者或从库）。

1. 一致性（Consistency） 

一致性（Consistency）是指多副本（Replications）问题中的数据一致性。可以分为强一致性、顺序一致性与弱一致性。 

1.1强一致性（Strict Consistency） 

也称为：

  原子一致性（Atomic Consistency）

  线性一致性（Linearizable Consistency）

两个要求：

  • 任何一次读都能读到某个数据的最近一次写的数据。
  • 系统中的所有进程，看到的操作顺序，都和全局时钟下的顺序一致。

简言之，在任意时刻，所有节点中的数据是一样的。

例如，对于关系型数据库，要求更新过的数据能被后续的访问都能看到，这是强一致性。

 1.2 顺序一致性（Sequential Consistency）

两个要求：

  • 任何一次读都能读到某个数据的最近一次写的数据。
  • 系统的所有进程的顺序一致，而且是合理的。即不需要和全局时钟下的顺序一致，错的话一起错，对的话一起对。

 1.3 弱一致性

数据更新后，如果能容忍后续的访问只能访问到部分或者全部访问不到，则是弱一致性。

最终一致性就属于弱一致性。

最终一致性

不保证在任意时刻任意节点上的同一份数据都是相同的，但是随着时间的迁移，不同节点上的同一份数据总是在向趋同的方向变化。

简单说，就是在一段时间后，节点间的数据会最终达到一致状态。

最终一致性根据更新数据后各进程访问到数据的时间和方式的不同，又可以区分为：

 

1 因果一致性（Casual Consistency）。如果进程A通知进程B它已更新了一个数据项，那么进程B的后续访问将返回更新后的值，且一次写入将保证取代前一次写入。与进程A无因果关系的进程C的访问，遵守一般的最终一致性规则。
2 “读己之所写（read-your-writes）”一致性。当进程A自己更新一个数据项之后，它总是访问到更新过的值，绝不会看到旧值。这是因果一致性模型的一个特例。
3 会话（Session）一致性。这是上一个模型的实用版本，它把访问存储系统的进程放到会话的上下文中。只要会话还存在，系统就保证“读己之所写”一致性。如果由于某些失败情形令会话终止，就要建立新的会话，而且系统的保证不会延续到新的会话。
4 单调（Monotonic）读一致性。如果进程已经看到过数据对象的某个值，那么任何后续访问都不会返回在那个值之前的值。
5 单调写一致性。系统保证来自同一个进程的写操作顺序执行。要是系统不能保证这种程度的一致性，就非常难以编程了。

2. 共识（Consensus)

共识问题中所有的节点要最终达成共识，由于最终目标是所有节点都要达成一致，所以根本不存在一致性强弱之分。

例如，Paxos是共识（Consensus）算法而不是强一致性（Consistency）协议。共识算法没有一致性级别的区分。

 

另一种说法

强一致性 与 弱一致性 

其实只有两类数据一致性，强一致性与弱一致性。强一致性也叫做线性一致性，除此以外，所有其他的一致性都是弱一致性的特殊情况。所谓强一致性，即复制是同步的，弱一致性，即复制是异步的。

用户更新网站头像，在某个时间点，用户向主库发送更新请求，不久之后主库就收到了请求。在某个时刻，主库又会将数据变更转发给自己的从库。最后，主库通知用户更新成功。

如果在返回“更新成功”并使新头像对其他用户可见之前，主库需要等待从库的确认，确保从库已经收到写入操作，那么复制是同步的，即强一致性。如果主库写入成功后，不等待从库的响应，直接返回“更新成功”，则复制是异步的，即弱一致性。

强一致性可以保证从库有与主库一致的数据。如果主库突然宕机，我们仍可以保证数据完整。但如果从库宕机或网络阻塞，主库就无法完成写入操作。

在实践中，我们通常使一个从库是同步的，而其他的则是异步的。如果这个同步的从库出现问题，则使另一个异步从库同步。这可以确保永远有两个节点拥有完整数据：主库和同步从库。 这种配置称为半同步。

 

最终一致性

开篇提到，容忍节点故障只是需要复制的一个原因。另两个原因是可扩展性和降低延迟。

单领导者的主从复制算法要求所有写入都由单个节点处理，但只读查询可以由任何节点处理。对于读多写少的场景，我们往往创建很多从库，并将读请求分散到所有的从库上去。这样能减小主库的负载，并允许向最近的节点发送读请求。当然这只适用于异步复制——如果尝试同步复制，则单个节点故障将使整个系统无法写入。

当用户从异步从库读取时，如果此异步从库落后，他可能会看到过时的信息。这种不一致只是一个暂时的状态——如果等待一段时间，从库最终会赶上并与主库保持一致。这称为最终一致性。

最终两个字用得很微妙，因为从写入主库到反映至从库之间的延迟，可能仅仅是几分之一秒，也可能是几个小时。