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08 | 基础篇大串讲：重难点回顾+思考题答疑+知识全景图
你好，我是王磊，你也可以叫我Ivan。
这一讲是我们课程的答疑篇，我会集中讨论前7讲布置的思考题，以及留言区中大家关注的一些内容。
第1讲：分布式数据库的定义
在第1讲中，我们通过层层递进式的分析，给这门课程要讨论的“分布式数据库”下了一个定义：分布式数据库是服务于写多读少、低延时、海量并发OLTP场景的，具有海量数据存储能力和高可靠性的关系型数据库。在“内部构成”这一节，我们还着重讨论了几种不属于分布式数据库的解决方案。
在这一讲的思考题部分，我们聊到了Aurora，我说“Aurora和这里说的分布式数据库还是有明显差别的”，想看看大家的理解。在留言中，我看到有些同学是持不同观点的，理由是Aurora也基于分布式存储的。
那么，为什么我说它不是分布式数据库呢？主要原因就是Aurora依然是不支持写入能力的水平扩展。
Aurora是亚马逊推出的云原生数据库，它采用计算与存储分离的思想，计算能力垂直扩展，存储能力水平扩展。究其原因，它的存储系统是直接架设在自家的分布式存储系统（S3）之上的；而计算节点仍然是单节点，所以是垂直扩展。当然Aurora也像MySQL一样是支持一写多读的，根据亚马逊的官方说明，可以配置15个备节点来分流读操作的压力。由于Aurora的元数据会缓存在主节点上的，在发生变更时，主备同步数据有一个小的延迟（小于100毫秒），这就造成备节点不能承接写入功能，读也不能保证严格的数据一致性。
我们在定义中强调了海量并发和写多读少，这其实就是要求分布式数据库的写入能力必须是可水平扩展的。
“开心哥”的留言中，提到了Aurora是不能支持多写的，准确地抓住了它与NewSQL的重要差别。而“南国”同学的留言中还提到了Aurora的论文。这篇论文是2017年，亚马逊在SIGMOD上发表的，论文题目叫做”Amazon Aurora: Design Considerations for High Throughput Cloud-Native Relational Databases”，其中披露了系统架构的设计细节，推荐有兴趣的同学阅读。其实阅读顶会论文是非常不错的学习方法，给“南国”同学点赞，希望大家也尝试一下。
最后，“xy”同学的留言还提到了另外两款同架构的产品，阿里polarDB，腾讯CynosDB，说明“xy”同学很关注对系统的横向比较，这也是非常好的学习习惯。我这里再补充一点，华为的Taurus也采用了类似Aurora的架构。
第2讲：数据一致性
第2讲中，我们首先明确了强一致性包含数据一致性和事务一致性两个方面，而后展开介绍了数据一致性。我们的讲解方式是先给出一个分析框架，也就是状态和操作双视角，并从状态视角引出了最终一致性这个概念。而后，我们在最终一致性的基础上介绍了5种不同强度的一致性模型，其中线性一致性和因果一致性是分布式数据库中普遍应用的。
思考题部分则是“你觉得Paxos这个一致性协议和数据一致性又是什么关系呢？”
这个答案嘛，很显然它们是不同的概念。可为什么不同的概念，都叫做一致性呢？就像“峰”同学说的，这个问题其实是翻译造成的。数据一致性对应是Consistency，而一致性协议对应的则是Consensus，这个单词更多时候被翻译成共识，就是我们常说的共识算法。
我认为，Paxos本质上是一种复制协议，约定了副本之间的同步策略，就像我们谈到的最终一致性，同样也只是描述了副本之间同步情况。再看看我们具体介绍的5个数据一致性模型，它们都在多副本的基础上又约定了读写策略，所以这两点都是一致性模型（Consistency Model）必不可少的内容。
我在留言中发现有的同学对Paxos这样的共识算法认识很深刻，谈了多副本的一致性，讲得很好，但是会忽略了读写策略的作用。“chenchukun”和“tt”同学的留言则抓住了这两个点，点赞。
第3讲：事务一致性
第3讲谈的事务一致性也是强一致性的组成部分，它具体又细化为ACID四个特性，其中的一致性比较宽泛，持久性的实现机制比较稳定，而原子性在分布式架构下面临挑战，最后的隔离性则非常复杂。即使在单体数据库下，工业界也没找到公认的处理隔离性问题的完美方法，很难实现最高级别的可串行化。所以，在分布式架构下，多数产品依然需要在性能与正确性之间进行权衡。
关于原子性和隔离性，我们还有比较多的篇幅展开讨论，所以课程的最后我留了一道关于持久性的思考题，就是预写日志（WAL）写成功，但是数据表写失败，要怎么处理？
在留言中，我发现很多同学都对WAL有深刻的认识，也都了解基于日志恢复数据的运作原理。其实，我这个问题是想让大家思考，联机写入的那一刻，除了记录WAL，数据库还干了什么。这也是一个与WAL有关的设计，也很有意思。
事实上，对大多数的数据库来说，实时写入数据时，并不是真的将数据写入数据表在磁盘中的对应文件里，因为数据表的组织形式复杂，不像WAL那样只是在文件尾部追加，所以I/O操作的延迟太长。因此，写入过程往往是这样的，记录WAL日志，同时将数据写入内存，两者都成功就返回客户端了。这些内存中的数据，在Oracle和MySQL中都被称为脏页，达到一定比例时会批量写入磁盘。而NewSQL所采用的LSM-Tree存储模型也是大致的思路，只不过在磁盘的数据组织上不同。
写入内存和WAL这两个操作构成了一个事务，必须一起成功或失败。
第4讲：两种架构风格
第4讲我们谈了分布式数据库的两种架构风格NewSQL和PGXC。PGXC是从代理中间件演化而来，以单体数据库作为数据节点，它的优势是工程实现更稳定。NewSQL则是以分布式键值系统为基础，引入了很多新技术，这些技术都会在我们的课程中逐步介绍。NewSQL的代表系统是Google的Spanner，而它的优势就是架构的先进性。
其实关于架构风格的讨论，往往是百家争鸣，各持观点，所以我们的思考题也是一个开放性话题，请大家聊聊自己熟悉的分布式数据库，或者其他分布式系统的架构。
在留言区，“xy”和“赵见跃”同学都提到了TDSQL，它是不是也属于PGXC风格呢？我认为目前腾讯输出的TDSQL还不是典型的PGXC，因为它没有全局时钟，也没有等效的设计去解决全局一致性问题。当然，说它不是，我也是有点纠结的，在2019年TDSQL的技术演讲中，腾讯的研发人员深入地分析了缺失全局时钟带来的一致性问题，同时也提及了正在进行的技术尝试。所以，我相信TDSQL很快会在新版本中增加类似的特性。
“南国”同学还提出了一个新问题：NewSQL与PGXC的界限似乎很模糊，是不是差别就在存储层面，NewSQL只能存储，而PGXC是完整的数据库呢？我认为这只是一个表象，最关键的差异其实是分片设计，或者说是两种架构对数据组织形式上的根本差别。PGXC的数据是相对固定的，而NewSQL的数据是能够更加灵活移动的，移动意味着解锁了数据与节点的关系，有点像灵魂和躯体的关系。如果灵魂不被限制在一个躯体里，那是不是就可以实现永生。解锁了数据与节点的依赖关系，系统也更加鲁棒。总的来说，我认为能够适应变化，在各种意外情况下，都能生存下来，这是设计分布式系统的核心思想。
第5讲：全局时钟
第5讲，我们介绍了全局时钟的不同实现方式，包括物理时钟和逻辑时钟两种方式，物理时钟的难点首先是要做到足够高的精度，其次是在使用时如何处理时钟误差，学术一点的说法叫做时钟的置信区间。逻辑时钟实际上是混合逻辑时钟，还是会引入物理时钟作为参考，但主要通过逻辑控制来保证时钟的单调递增。有同学问是不是可以不用物理时钟，我要说的是，对于多时间源是不行的，因为这样会造成不相关事件的时钟偏差太大，也就是偏序拼接的全序失真太大。如果是单时间源的混合逻辑时钟，它的好处是不用处理误差，简化了其他模块的设计。而HLC这样多时间源的混合逻辑时钟，则依然有时钟误差的问题。
这一讲的思考题是让大家思考一下“时间对于分布式数据库的影响是什么？”我发现大家的留言对这个问题的讨论并不多。其实，时间在很多分布式系统都是存在的，比如HBase对于各节点的时钟偏移也是有限制，只不过它的容忍度更高，可以达到几十秒。而在分布式数据库中与时间有关的功能主要体现在事务并发控制，比如MVCC、读写冲突。既然留言讨论不多，我这里就先不做点评，卖个关子，在第11讲、第12讲中我们再来详细聊聊。
第6讲：数据分片
第6讲，我们介绍了分布式数据库中一个非常重要的概念“分片”。分片机制的两个关键点是分片策略和分片调度机制。分片策略包括Hash和Range，调度机制则包括静态和动态两种。分片机制的实现和架构有很大的关系，PGXC架构基本上都是静态分片，是以Hash分片为主，有的产品也同时支持Range分片。关于NewSQL架构，我们主要介绍了最有代表性的动态Range分片。
这一讲的思考题，就是在问分片元数据的存储方案。
分析这个问题，首先要看元数据会不会变更，比如静态分片就不会变更，那么就可以把它复制多份部署在所有工作节点上，如果会变更，那就要考虑变更带来的多副本一致性问题，这里其实是和后面的07讲相呼应的。现在读完07讲，你自然应该知道，如果是少数节点集中存储元数据，那么可以采用Paxos协议保证一致性。如果是P2P架构，因为节点规模太大，那就适合采用Gossip协议。设计的权衡点主要是在于节点规模大小对传播效率的影响。
“开心哥”和“真名不叫黄金”两位同学都回答其中的一种情况，就是基于etcd或PD（基于etcd）来存储元数据，而etcd是Raft协议的开源实现。
第7讲：数据复制
第7讲，我们讨论的话题是数据复制，这和分片一样是非常基础和重要的内容。这一讲我们介绍了两个知识点，其中第一个就是分片元数据的存储方案，刚刚我们已经说过了，第二个知识点是数据复制的效率问题。Raft由于顺序投票的限制，在复制效率上比Paxos稍差。但是因为Raft有高质量的开源实现项目etcd，而Paxos因为算法复杂没有稳定的开源能实现，所有TiDB和CockroachDB还是选择了Raft协议。同时，TiDB和CockroachDB采用了Multi Raft的方式，让多分片并行处理提升性能。两者在Raft协议实现上也进行了若干改进。这些改进思路很有普适性，一些独立的Raft项目也同样实现了，比如SOFA-JRaft。
这一讲的思考题，我们讨论的是分布式数据库的存储上限。你一定有点疑惑，既然分布式数据库是一个水平扩展的系统，可以不断地增加节点。那么为什么还有存储上限呢？事实上，不仅分布式数据库，绝大多数分布式存储系统都是有上限的。因为有了这个限制，可以简化系统架构设计，而这个上限当然也是一个很大的数值，能够满足绝大多数业务场景的需求。
以CockroachDB为例，它的存储容量大致是4EB，而这个限制是由元数据的存储方式决定的。
在CockroachDB中存储分片元数据的数据结构叫做Meta ranges，它是一个两层索引结构，第一层Meta1存储了第二层Meta2的地址，第二层Meta2则指向了具体分片。每个节点会保存Meta1的定位，而且Meta1是不会分拆的，这样就更好的稳定性。Meta1和Meta2的长度都是18位，所以CockroachDB中最多只能有2^36个分片。CockroachDB默认分片初始大小是64M，那么可以算出一个总存储量是4EB，2^36*64M。从这个意义上说，CockroachDB的最大存储容量是4EB。当然，如果分片增大整体容量还会增加，但第6讲我们介绍过分片过大是有副作用的，所以不能无限制增加，系统的容量还是有上限的。
小结
最后，要特别感谢“Monday”同学，他建议我们增加一张分布式数据库的全景图，让知识的组织更加系统。我觉得这是个好主意，和编辑商量了一下，最后决定在每个答疑篇都会增量补充这个全景图，在最后的第30讲大家就能看到完整的全景图了。这样安排还有一个好处，就是帮助大家阶段性地复习前面课程。
分布式数据全景图1/4
如果你对今天的内容有任何疑问，欢迎在评论区留言和我一起讨论。要是你身边的朋友也对分布式数据库这个话题感兴趣，你也可以把今天这一讲分享给他，我们一起讨论。
学习资料
Alexandre Verbitski et al.: Amazon Aurora: Design Considerations for High Throughput Cloud-Native Relational Databases