《分布式技术原理与算法解析》学习笔记Day03

分布式互斥方法

什么是分布式互斥？

对于同一个共享资源，当一个程序正在使用的时候，不希望被其他程序打扰，这种排他性的资源访问方式，叫做分布式互斥，被互斥访问的共享资源被称作临界资源(Critical Resource).

有什么方法可以让分布式系统里的程序互斥地访问临界资源？

我们一般有三种方法：

• 集中式算法（霸道总裁）
• 分布式算法（民主协商）
• 令牌环算法（轮值CEO）

集中式互斥算法

我们引入一个协调者程序，每个程序在访问临界资源时，先向协调者发送一个请求，如果当前没有其他程序使用这个资源，协调者直接发送授权信息给请求程序去访问；否则，协调者会按照先来后到的顺序为请求程序“排个号”。如果有程序使用完资源，则通知协调者，协调者从“排号”的队列里取出排在最前面的请求，并给它发送授权消息。拿到授权消息的程序，可以直接去访问临界资源。

集中式算法也被称为中央服务器算法。

使用该算法，一个程序访问一次临界资源，需要完成3次消息交互：

1. 向协调者发送请求授权信息
2. 协调者向程序发放授权信息
3. 程序使用完临界资源后，向协调者发送释放授权信息

集中式算法的优点在于直观、简单、信息交互量少、易于实现，并且所有程序都只和协调者通信，程序彼此之间无需通信。

集中式算法的缺点在于协调者：

1. 协调者会成为系统的性能瓶颈。
2. 协调者容易引发单点故障，协调者不可用时，会导致整个系统不可用。

分布式互斥算法

当一个程序要访问临界资源时，先向系统中的其他程序发送一条请求信息，在接收到所有程序返回的同意消息后，才可以访问临界资源。其中请求消息包括所请求的资源、请求者ID以及发起请求的时间。

它是一种使用组播和逻辑时钟的算法。

使用该算法，一个程序访问一次临界资源，需要进行2*(n-1)次消息交互：

1. 向其他n-1个程序发送访问临界资源的请求，总共需要n-1次消息交互
2. 需要接收到其他n-1个程序回复的同意消息，才能访问资源，总共需要n-1次消息交互

它的缺点主要包括：

1. 当系统内需要访问临界资源的程序增多时，或者需要访问的临界资源数量增多时，容易产生“信令风暴”，也就是程序收到的请求完全超过了自己的处理能力，导致自己正常的业务无法展开。
2. 一旦某一程序发生故障，无法发送统一消息，那么其他程序均处于等待回复的状态中，使得整个系统处于停滞状态，导致不可用（一种改进可用性的办法是如果检测到一个程序故障，那么直接忽略该程序，无需再等待它的同意消息）。

分布式算法提供了一个“先到先得”和“投票全票通过”的公平访问机制，但是它的通信成本比较高，可用性也比集中式算法低，适用于临界资源使用频度较低，且系统规模较小的场景。

令牌环算法

所有程序构成一个环结构，令牌按照顺序在程序之间传递，收到令牌的程序有权访问临界资源，访问完成后将令牌传送给下一个程序，如果该程序不需要访问临界资源，则直接把令牌传送给下一个程序。

令牌环算法也被称作基于环的算法。它非常适合通信模式为令牌环方式的分布式系统。

令牌换算法的优点在于单个参与者通信效率高以及可用性比较高。它的缺点在于当参与者对临界资源使用频率比较低时，会带来大量无用通信。

令牌环算法的公平性高，适用于系统规模较小，并且系统中每个程序使用临界资源频率高且使用时间较短的场景。