【后端开发】服务开发场景之分布式（CAP，Raft，Gossip | API网关，分布式ID与锁

【后端开发】服务开发场景之分布式（CAP，Raft，Gossip | API网关，分布式ID与锁 | RPC，Dubbo，Zookeeper）

文章目录

- 1、如何设计一个分布式系统？（底层原理）
- - 理论：CAP定理，BASE理论拓展
  - 算法：Paxos 算法、 Raft算法
  - 协议：Gossip协议
- 2、常见的分布式开发场景
- - API网关（介绍，Spring Cloud Gateway、Kong、APISIX，拓展）
  - 分布式ID（介绍，数据库，算法，框架，设计指南）
  - 分布式锁（关系型数据库，键值数据库，分布式协调服务）
- 3、常见的分布式框架调用
- - PRC（网络编程封装框架）、Dubbo & grpc（PRC常用框架）
  - Zookeeper（分布式协调服务）

1、如何设计一个分布式系统？（底层原理）

理论：CAP定理，BASE理论拓展

ACID 是数据库事务完整性的理论，CAP 是分布式系统设计理论，BASE 是 CAP 理论中 AP 方案的延伸。

在理论计算机科学中，CAP 定理（CAP theorem）指出对于一个分布式系统来说，当设计读写操作时，只能同时满足以下三点中的两个：

一致性（Consistency） : 所有节点访问同一份最新的数据副本
可用性（Availability）: 非故障的节点在合理的时间内返回合理的响应（不是错误或者超时的响应）。
分区容错性（Partition Tolerance） : 分布式系统出现网络分区的时候，仍然能够对外提供服务。
什么是网络分区？
分布式系统中，多个节点之间的网络本来是连通的，但是因为某些故障（比如部分节点网络出了问题）某些节点之间不连通了，整个网络就分成了几块区域，这就叫网络分区。

不是所谓的“3 选 2”

大部分人解释这一定律时，常常简单的表述为：“一致性、可用性、分区容忍性三者你只能同时达到其中两个，不可能同时达到”。实际上这是一个非常具有误导性质的说法，而且在 CAP 理论诞生 12 年之后，CAP 之父也在 2012 年重写了之前的论文。
当发生网络分区的时候，如果我们要继续服务，那么强一致性和可用性只能 2 选 1。也就是说当网络分区之后 P 是前提，决定了 P 之后才有 C 和 A 的选择 。也就是说分区容错性（Partition tolerance）我们是必须要实现的。简而言之就是：CAP 理论中分区容错性 P 是一定要满足的，在此基础上，只能满足可用性 A 或者一致性 C。
因此，分布式系统理论上不可能选择 CA 架构 ，只能选择 CP 或者 AP 架构。比如 ZooKeeper、HBase 就是 CP 架构，Cassandra、Eureka 就是 AP 架构，Nacos 不仅支持 CP 架构也支持 AP 架构。
为啥不可能选择 CA 架构呢？ 举个例子：若系统出现“分区”，系统中的某个节点在进行写操作。为了保证 C，必须要禁止其他节点的读写操作，这就和 A 发生冲突了。 如果为了保证 A，其他节点的读写操作正常的话，那就和 C 发生冲突了。
选择 CP 还是 AP 的关键在于当前的业务场景，没有定论，比如对于需要确保强一致性的场景如银行一般会选择保证 CP 。另外，需要补充说明的一点是：如果网络分区正常的话（系统在绝大部分时候所处的状态），也就说不需要保证 P 的时候，C 和 A 能够同时保证。

CAP 实际应用案例

下图是 Dubbo 的架构图。注册中心 Registry 在其中扮演了什么角色呢？提供了什么服务呢？
注册中心负责服务地址的注册与查找，相当于目录服务，服务提供者和消费者只在启动时与注册中心交互，注册中心不转发请求，压力较小。
常见的可以作为注册中心的组件有：ZooKeeper、Eureka、Nacos…。
ZooKeeper 保证的是 CP。任何时刻对 ZooKeeper 的读请求都能得到一致性的结果，但是， ZooKeeper 不保证每次请求的可用性 比如在 Leader 选举过程中或者半数以上的机器不可用的时候服务就是不可用的。
Eureka 保证的则是 AP。 Eureka 在设计的时候就是优先保证 A （可用性）。在 Eureka 中不存在什么 Leader 节点，每个节点都是一样的、平等的。因此 Eureka 不会像 ZooKeeper 那样出现选举过程中或者半数以上的机器不可用的时候服务就是不可用的情况。 Eureka 保证即使大部分节点挂掉也不会影响正常提供服务，只要有一个节点是可用的就行了。只不过这个节点上的数据可能并不是最新的。

结论

在进行分布式系统设计和开发时，我们不应该仅仅局限在 CAP 问题上，还要关注系统的扩展性、可用性等等
在系统发生“分区”的情况下，CAP 理论只能满足 CP 或者 AP。要注意的是，这里的前提是系统发生了“分区”
如果系统没有发生“分区”的话，节点间的网络连接通信正常的话，也就不存在 P 了。这个时候，我们就可以同时保证 C 和 A 了。
总结：如果系统发生“分区”，我们要考虑选择 CP 还是 AP。如果系统没有发生“分区”的话，我们要思考如何保证 CA 。

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BASE 是 Basically Available（基本可用）、Soft-state（软状态）和 Eventually Consistent（最终一致性）三个短语的缩写。BASE 理论是对 CAP 中一致性 C 和可用性 A 权衡的结果，其来源于对大规模互联网系统分布式实践的总结，是基于 CAP 定理逐步演化而来的，它大大降低了我们对系统的要求。

BASE 理论的核心思想

即使无法做到强一致性，但每个应用都可以根据自身业务特点，采用适当的方式来使系统达到最终一致性。
也就是牺牲数据的一致性C来满足系统的高可用性A，系统中一部分数据不可用或者不一致时，仍需要保持系统整体“主要可用”。
BASE 理论本质上是对 CAP 的延伸和补充，更具体地说，是对 CAP 中 AP 方案的一个补充。
因此，AP 方案只是在系统发生分区的时候放弃一致性，而不是永远放弃一致性。在分区故障恢复后，系统应该达到最终一致性。这一点其实就是 BASE 理论延伸的地方。

基本可用

基本可用是指分布式系统在出现不可预知故障的时候，允许损失部分可用性。但是，这绝不等价于系统不可用。
什么叫允许损失部分可用性呢？
- 响应时间上的损失: 正常情况下，处理用户请求需要 0.5s 返回结果，但是由于系统出现故障，处理用户请求的时间变为 3 s。
- 系统功能上的损失：正常情况下，用户可以使用系统的全部功能，但是由于系统访问量突然剧增，系统的部分非核心功能无法使用。

软状态：

软状态指允许系统中的数据存在中间状态（CAP 理论中的数据不一致），并认为该中间状态的存在不会影响系统的整体可用性，即允许系统在不同节点的数据副本之间进行数据同步的过程存在延时。

最终一致性

最终一致性强调的是系统中所有的数据副本，在经过一段时间的同步后，最终能够达到一个一致的状态。因此，最终一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致，而不需要实时保证系统数据的强一致性。
分布式一致性的 3 种级别：
强一致性：系统写入了什么，读出来的就是什么。
弱一致性：不一定可以读取到最新写入的值，也不保证多少时间之后读取到的数据是最新的，只是会尽量保证某个时刻达到数据一致的状态。
最终一致性：弱一致性的升级版，系统会保证在一定时间内达到数据一致的状态。
业界比较推崇是最终一致性级别，但是某些对数据一致要求十分严格的场景比如银行转账还是要保证强一致性。
那实现最终一致性的具体方式是什么呢? 《分布式协议与算法实战》
读时修复 : 在读取数据时，检测数据的不一致，进行修复。比如 Cassandra 的 Read Repair 实现，具体来说，在向 Cassandra 系统查询数据的时候，如果检测到不同节点的副本数据不一致，系统就自动修复数据。
写时修复 : 在写入数据，检测数据的不一致时，进行修复。比如 Cassandra 的 Hinted Handoff 实现。具体来说，Cassandra 集群的节点之间远程写数据的时候，如果写失败就将数据缓存下来，然后定时重传，修复数据的不一致性。
异步修复 : 这个是最常用的方式，通过定时对账检测副本数据的一致性，并修复。
比较推荐写时修复，这种方式对性能消耗比较低。

算法：Paxos 算法、 Raft算法

Paxos 算法

Paxos 算法是第一个被证明完备的分布式系统共识算法，1990提出。共识算法的作用是让分布式系统中的多个节点之间对某个提案（Proposal）达成一致的看法。提案的含义在分布式系统中十分宽泛，像哪一个节点是 Leader 节点、多个事件发生的顺序等等都可以是一个提案。
Paxos 算法是兰伯特在 1990 年提出了一种分布式系统共识算法。
兰伯特当时提出的 Paxos 算法主要包含 2 个部分: Basic Paxos 算法和 Multi-Paxos 思想。
Raft 算法、ZAB 协议、 Fast Paxos 算法都是基于 Paxos 算法改进而来。

兰伯特当时提出的 Paxos 算法主要包含 2 个部分:

Basic Paxos 算法：描述的是多节点之间如何就某个值(提案 Value)达成共识。
Multi-Paxos 思想：描述的是执行多个 Basic Paxos 实例，就一系列值达成共识。Multi-Paxos 说白了就是执行多次 Basic Paxos ，核心还是 Basic Paxos 。

由于 Paxos 算法在国际上被公认的非常难以理解和实现，因此不断有人尝试简化这一算法。到了 2013 年才诞生了一个比 Paxos 算法更易理解和实现的共识算法—Raft 算法。更具体点来说，Raft 是 Multi-Paxos 的一个变种，其简化了 Multi-Paxos 的思想，变得更容易被理解以及工程实现。

针对没有恶意节点的情况，除了 Raft 算法之外，当前最常用的一些共识算法比如 ZAB 协议、 Fast Paxos 算法都是基于 Paxos 算法改进的。
针对存在恶意节点的情况，一般使用的是 工作量证明（POW，Proof-of-Work）、权益证明（PoS，Proof-of-Stake ）等共识算法。这类共识算法最典型的应用就是区块链，就比如说前段时间以太坊官方宣布其共识机制正在从工作量证明(PoW)转变为权益证明(PoS)。
区块链系统使用的共识算法需要解决的核心问题是拜占庭将军问题 ，这和我们日常接触到的 ZooKeeper、Etcd、Consul 等分布式中间件不太一样。

Basic Paxos 算法

提议者（Proposer）：也可以叫做协调者（coordinator），提议者负责接受客户端的请求并发起提案。提案信息通常包括提案编号 (Proposal ID) 和提议的值 (Value)。
接受者（Acceptor）：也可以叫做投票员（voter），负责对提议者的提案进行投票，同时需要记住自己的投票历史；
学习者（Learner）：如果有超过半数接受者就某个提议达成了共识，那么学习者就需要接受这个提议，并就该提议作出运算，然后将运算结果返回给客户端。
为了减少实现该算法所需的节点数，一个节点可以身兼多个角色。并且，一个提案被选定需要被半数以上的 Acceptor 接受。这样的话，Basic Paxos 算法还具备容错性，在少于一半的节点出现故障时，集群仍能正常工作。

Multi Paxos 思想

Basic Paxos 算法的仅能就单个值达成共识，为了能够对一系列的值达成共识，我们需要用到 Multi Paxos 思想。Multi-Paxos 只是一种思想，这种思想的核心就是通过多个 Basic Paxos 实例就一系列值达成共识。也就是说，Basic Paxos 是 Multi-Paxos 思想的核心，Multi-Paxos 就是多执行几次 Basic Paxos。
由于兰伯特提到的 Multi-Paxos 思想缺少代码实现的必要细节(比如怎么选举领导者)，所以在理解和实现上比较困难。
不过，也不需要担心，我们并不需要自己实现基于 Multi-Paxos 思想的共识算法，业界已经有了比较出名的实现。像 Raft 算法就是 Multi-Paxos 的一个变种，其简化了 Multi-Paxos 的思想，变得更容易被理解以及工程实现，实际项目中可以优先考虑 Raft 算法。

拜占庭将军

一组拜占庭将军分别各率领一支军队共同围困一座城市。为了简化问题，将各支军队的行动策略限定为进攻或撤离两种。因为部分军队进攻部分军队撤离可能会造成灾难性后果，因此各位将军必须通过投票来达成一致策略，即所有军队一起进攻或所有军队一起撤离。因为各位将军分处城市不同方向，他们只能通过信使互相联络。在投票过程中每位将军都将自己投票给进攻还是撤退的资讯通过信使分别通知其他所有将军，这样一来每位将军根据自己的投票和其他所有将军送来的资讯就可以知道共同的投票结果而决定行动策略。
假设多位拜占庭将军中没有叛军，信使的信息可靠但有可能被暗杀的情况下，将军们如何达成是否要进攻的一致性决定？
解决方案大致可以理解成：先在所有的将军中选出一个大将军，用来做出所有的决定。
举例如下：假如现在一共有 3 个将军 A，B 和 C，每个将军都有一个随机时间的倒计时器，倒计时一结束，这个将军就把自己当成大将军候选人，然后派信使传递选举投票的信息给将军 B 和 C，如果将军 B 和 C 还没有把自己当作候选人（自己的倒计时还没有结束），并且没有把选举票投给其他人，它们就会把票投给将军 A，信使回到将军 A 时，将军 A 知道自己收到了足够的票数，成为大将军。在有了大将军之后，是否需要进攻就由大将军 A 决定，然后再去派信使通知另外两个将军，自己已经成为了大将军。如果一段时间还没收到将军 B 和 C 的回复（信使可能会被暗杀），那就再重派一个信使，直到收到回复。

共识算法

共识是可容错系统中的一个基本问题：即使面对故障，服务器也可以在共享状态上达成一致。
共识算法允许一组节点像一个整体一样一起工作，即使其中的一些节点出现故障也能够继续工作下去，其正确性主要是源于复制状态机的性质：一组Server的状态机计算相同状态的副本，即使有一部分的Server宕机了它们仍然能够继续运行。
一般通过使用复制日志来实现复制状态机。每个Server存储着一份包括命令序列的日志文件，状态机会按顺序执行这些命令。因为每个日志包含相同的命令，并且顺序也相同，所以每个状态机处理相同的命令序列。由于状态机是确定性的，所以处理相同的状态，得到相同的输出。
因此共识算法的工作就是保持复制日志的一致性。服务器上的共识模块从客户端接收命令并将它们添加到日志中。它与其他服务器上的共识模块通信，以确保即使某些服务器发生故障。每个日志最终包含相同顺序的请求。 一旦命令被正确地复制，它们就被称为已提交。每个服务器的状态机按照日志顺序处理已提交的命令，并将输出返回给客户端，因此，这些服务器形成了一个单一的、高度可靠的状态机。

Raft集群

节点类型
一个 Raft 集群包括若干服务器，以典型的 5 服务器集群举例。在任意的时间，每个服务器一定会处于以下三个状态中的一个：
Leader：负责发起心跳，响应客户端，创建日志，同步日志。
Candidate：Leader 选举过程中的临时角色，由 Follower 转化而来，发起投票参与竞选。
Follower：接受 Leader 的心跳和日志同步数据，投票给 Candidate。
在正常的情况下，只有一个服务器是 Leader，剩下的服务器是 Follower。Follower 是被动的，它们不会发送任何请求，只是响应来自 Leader 和 Candidate 的请求。
任期
raft 算法将时间划分为任意长度的任期（term），任期用连续的数字表示，看作当前 term 号。每一个任期的开始都是一次选举，在选举开始时，一个或多个 Candidate 会尝试成为 Leader。如果一个 Candidate 赢得了选举，它就会在该任期内担任 Leader。如果没有选出 Leader，将会开启另一个任期，并立刻开始下一次选举。raft 算法保证在给定的一个任期最少要有一个 Leader。
每个节点都会存储当前的 term 号，当服务器之间进行通信时会交换当前的 term 号；如果有服务器发现自己的 term 号比其他人小，那么他会更新到较大的 term 值。如果一个 Candidate 或者 Leader 发现自己的 term 过期了，他会立即退回成 Follower。如果一台服务器收到的请求的 term 号是过期的，那么它会拒绝此次请求。
日志
entry：每一个事件成为 entry，只有 Leader 可以创建 entry。entry 的内容为<term,index,cmd> 其中 cmd 是可以应用到状态机的操作。
log：由 entry 构成的数组，每一个 entry 都有一个表明自己在 log 中的 index。只有 Leader 才可以改变其他节点的 log。entry 总是先被 Leader 添加到自己的 log 数组中，然后再 发起共识请求，获得同意后才会被 Leader 提交给状态机。Follower 只能从 Leader 获取新日志和当前的 commitIndex，然后把对应的 entry 应用到自己的状态机中。

领导人选举

raft 使用心跳机制来触发 Leader 的选举。
如果一台服务器能够收到来自 Leader 或者 Candidate 的有效信息，那么它会一直保持为 Follower 状态，并且刷新自己的 electionElapsed，重新计时。
Leader 会向所有的 Follower 周期性发送心跳来保证自己的 Leader 地位。如果一个 Follower 在一个周期内没有收到心跳信息，就叫做选举超时，然后它就会认为此时没有可用的 Leader，并且开始进行一次选举以选出一个新的 Leader。
为了开始新的选举，Follower 会自增自己的 term 号并且转换状态为 Candidate。然后他会向所有节点发起 RequestVoteRPC 请求， Candidate 的状态会持续到以下情况发生：
赢得选举
其他节点赢得选举
一轮选举结束，无人胜出
赢得选举的条件是：一个 Candidate 在一个任期内收到了来自集群内的多数选票（N/2+1），就可以成为 Leader。
在 Candidate 等待选票的时候，它可能收到其他节点声明自己是 Leader 的心跳，此时有两种情况：
该 Leader 的 term 号大于等于自己的 term 号，说明对方已经成为 Leader，则自己回退为 Follower。
该 Leader 的 term 号小于自己的 term 号，那么会拒绝该请求并让该节点更新 term。
由于可能同一时刻出现多个 Candidate，导致没有 Candidate 获得大多数选票，如果没有其他手段来重新分配选票的话，那么可能会无限重复下去。
raft 使用了随机的选举超时时间来避免上述情况。每一个 Candidate 在发起选举后，都会随机化一个新的选举超时时间，这种机制使得各个服务器能够分散开来，在大多数情况下只有一个服务器会率先超时；它会在其他服务器超时之前赢得选举。

协议：Gossip协议

Gossip 协议介绍
在分布式系统中，不同的节点进行数据/信息共享是一个基本的需求。

一种比较简单粗暴的方法就是 集中式发散消息，简单来说就是一个主节点同时共享最新信息给其他所有节点，比较适合中心化系统 。这种方法的缺陷也很明显，节点多的时候不光同步消息的效率低，还太依赖与中心节点，存在单点风险问题。
于是，分散式发散消息的 Gossip 协议就诞生了。
Gossip 直译过来就是闲话、流言蜚语的意思。流言蜚语有什么特点呢？容易被传播且传播速度还快，你传我我传他，然后大家都知道了。
Gossip 协议也叫 Epidemic 协议（流行病协议）或者 Epidemic propagation 算法（疫情传播算法），别名很多。不过，这些名字的特点都具有随机传播特性（联想一下病毒传播等生活中常见的情景），这也正是 Gossip 协议最主要的特点。
在 Gossip 协议下，没有所谓的中心节点，每个节点周期性地随机找一个节点互相同步彼此的信息，理论上来说，各个节点的状态最终会保持一致。
下面我们来对 Gossip 协议的定义做一个总结：Gossip 协议是一种允许在分布式系统中共享状态的去中心化通信协议，通过这种通信协议，我们可以将信息传播给网络或集群中的所有成员。

Gossip 协议应用

NoSQL 数据库 Redis 和 Apache Cassandra、服务网格解决方案 Consul 等知名项目都用到了 Gossip 协议，学习 Gossip 协议有助于我们搞清很多技术的底层原理。我们这里以 Redis Cluster 为例。
Redis Cluster 是一个典型的分布式系统，分布式系统中的各个节点需要互相通信。既然要相互通信就要遵循一致的通信协议，Redis Cluster 中的各个节点基于 Gossip 协议来进行通信共享信息，每个 Redis 节点都维护了一份集群的状态信息。
Redis Cluster 的节点之间会相互发送多种 Gossip 消息：
MEET：在 Redis Cluster 中的某个 Redis 节点上执行 CLUSTER MEET ip port 命令，可以向指定的 Redis 节点发送一条 MEET 信息，用于将其添加进 Redis Cluster 成为新的 Redis 节点。
PING/PONG：Redis Cluster 中的节点都会定时地向其他节点发送 PING 消息，来交换各个节点状态信息，检查各个节点状态，包括在线状态、疑似下线状态 PFAIL 和已下线状态 FAIL。
FAIL：Redis Cluster 中的节点 A 发现 B 节点 PFAIL ，并且在下线报告的有效期限内集群中半数以上的节点将 B 节点标记为 PFAIL，节点 A 就会向集群广播一条 FAIL 消息，通知其他节点将故障节点 B 标记为 FAIL 。
主从架构的 Redis Cluster 的示意图，图中的虚线代表的就是各个节点之间使用 Gossip 进行通信，实线表示主从复制。

Gossip 协议消息传播模式

Gossip 设计了两种可能的消息传播模式：反熵（Anti-Entropy）和传谣（Rumor-Mongering）。
在这里，你可以把反熵中的熵理解为节点之间数据的混乱程度/差异性，反熵就是指消除不同节点中数据的差异，提升节点间数据的相似度，从而降低熵值。
具体是如何反熵的呢？集群中的节点，每隔段时间就随机选择某个其他节点，然后通过互相交换自己的所有数据来消除两者之间的差异，实现数据的最终一致性。
在实现反熵的时候，主要有推、拉和推拉三种方式：
推方式，就是将自己的所有副本数据，推给对方，修复对方副本中的熵。
拉方式，就是拉取对方的所有副本数据，修复自己副本中的熵。
推拉就是同时修复自己副本和对方副本中的熵。
在我们实际应用场景中，一般不会采用随机的节点进行反熵，而是可以设计成一个闭环。这样的话，我们能够在一个确定的时间范围内实现各个节点数据的最终一致性，而不是基于随机的概率。像 InfluxDB 就是这样来实现反熵的。
虽然反熵很简单实用，但是，节点过多或者节点动态变化的话，反熵就不太适用了。这个时候，我们想要实现最终一致性就要靠谣言传播(Rumor mongering) 。
谣言传播指的是分布式系统中的一个节点一旦有了新数据之后，就会变为活跃节点，活跃节点会周期性地联系其他节点向其发送新数据，直到所有的节点都存储了该新数据。
谣言传播比较适合节点数量比较多的情况，不过，这种模式下要尽量避免传播的信息包不能太大，避免网络消耗太大。

总结：

反熵（Anti-Entropy）会传播节点的所有数据，而谣言传播（Rumor-Mongering）只会传播节点新增的数据。
我们一般会给反熵设计一个闭环。
谣言传播（Rumor-Mongering）比较适合节点数量比较多或者节点动态变化的场景。

Gossip 协议优势和缺陷

优势
1、相比于其他分布式协议/算法来说，Gossip 协议理解起来非常简单。
2、能够容忍网络上节点的随意地增加或者减少，宕机或者重启，因为 Gossip 协议下这些节点都是平等的，去中心化的。新增加或者重启的节点在理想情况下最终是一定会和其他节点的状态达到一致。
3、速度相对较快。节点数量比较多的情况下，扩散速度比一个主节点向其他节点传播信息要更快（多播）。
缺点
1、消息需要通过多个传播的轮次才能传播到整个网络中，因此，必然会出现各节点状态不一致的情况。毕竟，Gossip 协议强调的是最终一致，至于达到各个节点的状态一致需要多长时间，谁也无从得知。
2、由于拜占庭将军问题，不允许存在恶意节点。
3、可能会出现消息冗余的问题。由于消息传播的随机性，同一个节点可能会重复收到相同的消息。

Gossip 协议是一种允许在分布式系统中共享状态的通信协议，通过这种通信协议，我们可以将信息传播给网络或集群中的所有成员。
Gossip 协议被 Redis、Apache Cassandra、Consul 等项目应用。
谣言传播（Rumor-Mongering）比较适合节点数量比较多或者节点动态变化的场景。

参考资料：1，

2、常见的分布式开发场景

API网关（介绍，Spring Cloud Gateway、Kong、APISIX，拓展）

什么是网关？

微服务背景下，一个系统被拆分为多个服务，但是像安全认证，流量控制，日志，监控等功能是每个服务都需要的，没有网关的话，我们就需要在每个服务中单独实现，这使得我们做了很多重复的事情并且没有一个全局的视图来统一管理这些功能。
一般情况下，网关可以为我们提供请求转发、安全认证（身份/权限认证）、流量控制、负载均衡、降级熔断、日志、监控、参数校验、协议转换等功能。上面介绍了这么多功能，
实际上，网关主要做了两件事情：请求转发 + 请求过滤。

网关能提供哪些功能？

百亿规模API网关服务Shepherd的设计与实现

有哪些常见的网关系统？

Netflix Zuul
Spring Cloud Gateway
OpenResty
Kong
APISIX
Shenyu
上面介绍的几个常见的网关系统，最常用的是 Spring Cloud Gateway、Kong、APISIX 这三个。
对于公司业务以 Java 为主要开发语言的情况下，Spring Cloud Gateway 通常是个不错的选择，其优点有：简单易用、成熟稳定、与 Spring Cloud 生态系统兼容、Spring 社区成熟等等。不过，Spring Cloud Gateway 也有一些局限性和不足之处，一般还需要结合其他网关一起使用比如 OpenResty。并且，其性能相比较于 Kong 和 APISIX，还是差一些。如果对性能要求比较高的话，Spring Cloud Gateway 不是一个好的选择。
Kong 和 APISIX 功能更丰富，性能更强大，技术架构更贴合云原生。Kong 是开源 API 网关的鼻祖，生态丰富，用户群体庞大。APISIX 属于后来者，更优秀一些，根据 APISIX 官网介绍：“APISIX 已经生产可用，功能、性能、架构全面优于 Kong”。
APISIX 基于 etcd 来做配置中心，不存在单点问题，云原生友好；而 Kong 基于 Apache Cassandra/PostgreSQL ，存在单点风险，需要额外的基础设施保障做高可用。
APISIX 支持热更新，并且实现了毫秒级别的热更新响应；而 Kong 不支持热更新。
APISIX 的性能要优于 Kong 。APISIX 支持的插件更多，功能更丰富。

深入理解 Spring Cloud Gateway 的原理
在这里插入图片描述

分布式ID（介绍，数据库，算法，框架，设计指南）

分布式 ID 介绍？

日常开发中，我们需要对系统中的各种数据使用 ID 唯一表示，比如用户 ID 对应且仅对应一个人，商品 ID 对应且仅对应一件商品，订单 ID 对应且仅对应一个订单。简单来说，ID 就是数据的唯一标识。分布式 ID 是分布式系统下的 ID。
我简单举一个分库分表的例子。我司的一个项目，使用的是单机 MySQL 。但是，没想到的是，项目上线一个月之后，随着使用人数越来越多，整个系统的数据量将越来越大。单机 MySQL 已经没办法支撑了，需要进行分库分表（推荐 Sharding-JDBC）。在分库之后，数据遍布在不同服务器上的数据库，数据库的自增主键已经没办法满足生成的主键唯一了。我们如何为不同的数据节点生成全局唯一主键呢？
一个最基本的分布式 ID 需要满足下面这些要求：
全局唯一：ID 的全局唯一性肯定是首先要满足的！
高性能：分布式 ID 的生成速度要快，对本地资源消耗要小。
高可用：生成分布式 ID 的服务要保证可用性无限接近于 100%。
方便易用：拿来即用，使用方便，快速接入！
安全：ID 中不包含敏感信息。
有序递增：如果要把 ID 存放在数据库的话，ID 的有序性可以提升数据库写入速度。并且，很多时候，我们还很有可能会直接通过 ID 来进行排序。
有具体的业务含义：生成的 ID 如果能有具体的业务含义，可以让定位问题以及开发更透明化（通过 ID 就能确定是哪个业务）。
独立部署：也就是分布式系统单独有一个发号器服务，专门用来生成分布式 ID。这样就生成 ID 的服务可以和业务相关的服务解耦。不过，这样同样带来了网络调用消耗增加的问题。总的来说，如果需要用到分布式 ID 的场景比较多的话，独立部署的发号器服务还是很有必要的。

分布式 ID 常见解决方案?

数据库
数据库主键自增
数据库号段模式
NoSQL
算法
UUID
Snowflake(雪花算法)
开源框架
UidGenerator(百度)
Leaf(美团)
Tinyid(滴滴)
IdGenerator(个人)

分布式ID设计指南

场景一：订单系统
- 1、一码付
- 2、订单号
- 3、优惠券和兑换券
场景二：Tracing
- 1、日志跟踪
- 2、TraceId 生成规则
- 3、SpanId 生成规则
场景三：短网址

分布式锁（关系型数据库，键值数据库，分布式协调服务）

为什么需要分布式锁？

在多线程环境中，如果多个线程同时访问共享资源（例如商品库存、外卖订单），会发生数据竞争，可能会导致出现脏数据或者系统问题，威胁到程序的正常运行。

分布式锁应该具备哪些条件？

互斥：任意一个时刻，锁只能被一个线程持有。
高可用：锁服务是高可用的，当一个锁服务出现问题，能够自动切换到另外一个锁服务。并且，即使客户端的释放锁的代码逻辑出现问题，锁最终一定还是会被释放，不会影响其他线程对共享资源的访问。这一般是通过超时机制实现的。
可重入：一个节点获取了锁之后，还可以再次获取锁。
高性能：获取和释放锁的操作应该快速完成，并且不应该对整个系统的性能造成过大影响。
非阻塞：如果获取不到锁，不能无限期等待，避免对系统正常运行造成影响。

分布式锁的常见实现方式有哪些？

基于关系型数据库比如 MySQL 实现分布式锁。
基于分布式协调服务 ZooKeeper 实现分布式锁。
基于分布式键值存储系统比如 Redis 、Etcd 实现分布式锁。
关系型数据库的方式一般是通过唯一索引或者排他锁实现。不过，一般不会使用这种方式，问题太多比如性能太差、不具备锁失效机制。
基于 ZooKeeper 或者 Redis 实现分布式锁这两种实现方式要用的更多一些。

总结

分布式锁的用途：分布式系统下，不同的服务/客户端通常运行在独立的 JVM 进程上。如果多个 JVM 进程共享同一份资源的话，使用本地锁就没办法实现资源的互斥访问了。
分布式锁的应该具备的条件：互斥、高可用、可重入、高性能、非阻塞。
分布式锁的常见实现方式：关系型数据库比如 MySQL、分布式协调服务 ZooKeeper、分布式键值存储系统比如 Redis 、Etcd 。

3、常见的分布式框架调用

PRC（网络编程封装框架）、Dubbo & grpc（PRC常用框架）

RPC 是什么?

RPC（Remote Procedure Call）即远程过程调用。两个不同的服务器上的服务提供的方法不在一个内存空间，所以，需要通过网络编程才能传递方法调用所需要的参数。并且，方法调用的结果也需要通过网络编程来接收。但是，如果我们自己手动网络编程来实现这个调用过程的话工作量是非常大的，因为，我们需要考虑底层传输方式（TCP 还是 UDP）、序列化方式等等方面。
RPC 能帮助我们做什么呢？简单来说，通过 RPC 可以帮助我们调用远程计算机上某个服务的方法，这个过程就像调用本地方法一样简单。并且！我们不需要了解底层网络编程的具体细节。
举个例子：两个不同的服务 A、B 部署在两台不同的机器上，服务 A 如果想要调用服务 B 中的某个方法的话就可以通过 RPC 来做。RPC 的出现就是为了让你调用远程方法像调用本地方法一样简单。

RPC 的原理是什么?

服务消费端（client）以本地调用的方式调用远程服务；
客户端 Stub（client stub）接收到调用后负责将方法、参数等组装成能够进行网络传输的消息体（序列化）：RpcRequest；
客户端 Stub（client stub）找到远程服务的地址，并将消息发送到服务提供端；
服务端 Stub（桩）收到消息将消息反序列化为 Java 对象: RpcRequest；
服务端 Stub（桩）根据RpcRequest中的类、方法、方法参数等信息调用本地的方法；
服务端 Stub（桩）得到方法执行结果并将组装成能够进行网络传输的消息体：RpcResponse（序列化）发送至消费方；
客户端 Stub（client stub）接收到消息并将消息反序列化为 Java 对象:RpcResponse ，这样也就得到了最终结果。over!

有哪些常见的 RPC 框架？

RPC 框架指的是可以让客户端直接调用服务端方法，就像调用本地方法一样简单的框架，比如我下面介绍的 Dubbo、Motan、gRPC 这些。如果需要和 HTTP 协议打交道，解析和封装 HTTP 请求和响应。这类框架并不能算是“RPC 框架”，比如 Feign
gRPC 和 Thrift 虽然支持跨语言的 RPC 调用，但是它们只提供了最基本的 RPC 框架功能，缺乏一系列配套的服务化组件和服务治理功能的支撑。
Dubbo 不论是从功能完善程度、生态系统还是社区活跃度来说都是最优秀的。而且，Dubbo 在国内有很多成功的案例比如当当网、滴滴等等，是一款经得起生产考验的成熟稳定的 RPC 框架。最重要的是你还能找到非常多的 Dubbo 参考资料，学习成本相对也较低。
Dubbo 也是 Spring Cloud Alibaba 里面的一个组件。
但是，Dubbo 和 Motan 主要是给 Java 语言使用。虽然，Dubbo 和 Motan 目前也能兼容部分语言，但是不太推荐。如果需要跨多种语言调用的话，可以考虑使用 gRPC。

根据 Dubbo 官方文档的介绍，Dubbo 提供了六大核心能力

面向接口代理的高性能 RPC 调用。
智能容错和负载均衡。
服务自动注册和发现。
高度可扩展能力。
运行期流量调度。
可视化的服务治理与运维。

Zookeeper（分布式协调服务）

ZooKeeper有什么用？

曾经使用 Dubbo 来做分布式项目的时候，使用了 ZooKeeper 作为注册中心。为了保证分布式系统能够同步访问某个资源，我还使用 ZooKeeper 做过分布式锁。另外，我在学习 Kafka 的时候，知道 Kafka 很多功能的实现依赖了 ZooKeeper。
ZooKeeper 可以被用作注册中心、分布式锁；
ZooKeeper 是 Hadoop 生态系统的一员；
构建 ZooKeeper 集群的时候，使用的服务器最好是奇数台。

ZooKeeper 最早起源于雅虎研究院的一个研究小组。在当时，研究人员发现，在雅虎内部很多大型系统基本都需要依赖一个类似的系统来进行分布式协调，但是这些系统往往都存在分布式单点问题。所以，雅虎的开发人员就试图开发一个通用的无单点问题的分布式协调框架，以便让开发人员将精力集中在处理业务逻辑上。关于“ZooKeeper”这个项目的名字，其实也有一段趣闻。在立项初期，考虑到之前内部很多项目都是使用动物的名字来命名的（例如著名的 Pig 项目),雅虎的工程师希望给这个项目也取一个动物的名字。时任研究院的首席科学家 RaghuRamakrishnan 开玩笑地说：“在这样下去，我们这儿就变成动物园了！”此话一出，大家纷纷表示就叫动物园管理员吧一一一因为各个以动物命名的分布式组件放在一起，雅虎的整个分布式系统看上去就像一个大型的动物园了，而 ZooKeeper 正好要用来进行分布式环境的协调一一于是，ZooKeeper 的名字也就由此诞生了。

介绍：

ZooKeeper 是一个开源的分布式协调服务，它的设计目标是将那些复杂且容易出错的分布式一致性服务封装起来，构成一个高效可靠的原语集，并以一系列简单易用的接口提供给用户使用。
提供了高可用、高性能、稳定的分布式数据一致性解决方案，通常被用于实现诸如数据发布/订阅、负载均衡、命名服务、分布式协调/通知、集群管理、Master 选举、分布式锁和分布式队列等功能。这些功能的实现主要依赖于 ZooKeeper 提供的数据存储+事件监听功能
ZooKeeper 将数据保存在内存中，性能是不错的。在“读”多于“写”的应用程序中尤其地高性能，因为“写”会导致所有的服务器间同步状态。（“读”多于“写”是协调服务的典型场景）。
ZooKeeper 由 Yahoo 开发，后来捐赠给了 Apache ，现已成为 Apache 顶级项目。ZooKeeper 是一个开源的分布式应用程序协调服务器，其为分布式系统提供一致性服务。其一致性是通过基于 Paxos 算法的 ZAB 协议完成的。其主要功能包括：配置维护、分布式同步、集群管理等。

ZooKeeper 应用场景

命名服务：可以通过 ZooKeeper 的顺序节点生成全局唯一 ID。
数据发布/订阅：通过 Watcher 机制 可以很方便地实现数据发布/订阅。当你将数据发布到 ZooKeeper 被监听的节点上，其他机器可通过监听 ZooKeeper 上节点的变化来实现配置的动态更新。
分布式锁：通过创建唯一节点获得分布式锁，当获得锁的一方执行完相关代码或者是挂掉之后就释放锁。分布式锁的实现也需要用到 Watcher 机制 。

集群不等于分布式

计算机学科中还有一个相似的概念—— Cluster ，集群不也是加机器吗？
但是集群和分布式其实就是两个完全不同的概念。比如，我现在有一个秒杀服务，并发量太大单机系统承受不住，那我加几台服务器也一样提供秒杀服务，这个时候就是 Cluster 集群。

对于分布式来说，你首先需要将业务进行拆分，然后再加机器（不仅仅是加机器那么简单），同时你还要去解决分布式带来的一系列问题。比如各个分布式组件如何协调起来，如何减少各个系统之间的耦合度，分布式事务的处理，如何去配置整个分布式系统等等。ZooKeeper 主要就是解决这些问题的。