ZooKeeper 一致性模型解析：线性一致性与顺序一致性的平衡

概述

在分布式系统中，我们熟知多种一致性模型，包括强一致性、弱一致性、最终一致性、线性一致性、顺序一致性、因果一致性、会话一致性和单调读一致性等。那么，ZooKeeper究竟遵循哪种一致性模型呢？

事务消息传递流程

在探讨 ZooKeeper 的一致性模型之前，我们先来回顾一下 ZooKeeper 的事务处理流程。为了更直观地理解这一过程，我们参考了 ZooKeeper 官方文档中的插图和描述。

所有通信通道都是先进先出（FIFO），所以所有操作都是按顺序进行的。具体来说，遵循以下操作约束：

• 领导者使用相同的顺序向所有跟随者发送提议。此外，这个顺序遵循请求接收的顺序。由于我们使用 FIFO 通道，这意味着跟随者也会按顺序接收提议。
• 跟随者按接收顺序处理消息。这意味着消息将按顺序确认（ACK），并且由于 FIFO 通道，领导者将按顺序从跟随者接收确认。这也意味着如果消息 m 已写入非易失性存储，那么所有在 m 之前提议的消息也都已写入非易失性存储。
• 领导者会在多数从节点确认一条消息后，向所有从节点发出 COMMIT。由于消息是按顺序确认的，领导者会按从节点接收的顺序发送 COMMIT。
• COMMIT 按顺序处理。从节点在 COMMIT 该提议时，会传递提议消息。

总结如下：当 Leader 收到客户端的请求后，会将该请求封装为一个提议（proposal），并将其发送给所有 Follower。Follower 按照接收到提议的顺序将其存储到本地日志中，并向 Leader 发送ACK消息。当 Leader 收到超过半数 Follower 的ACK后，它会向所有 Follower 发送一个 commit 指令，指示它们可以提交该提议。Follower 接收到 commit 指令后，按照提议的顺序依次执行，从而确保所有副本保持一致。

ZooKeeper是强一致吗？

让我们来看看官网中是如何描述的ZooKeeper一致性保证

从上述分析中可以明确，ZooKeeper 的写操作遵循线性一致性，而读操作则遵循顺序一致性。那么，这两种一致性模型的具体含义是什么呢？

• 线性一致性（Linearizability）：线性一致性是强一致性的一种形式。它要求系统的行为如同所有操作都在一个单一的、连续的时间线上顺序执行。具体而言，对于任意两个操作，系统必须确保它们的执行顺序与它们在时间上的先后顺序完全一致。这意味着，从外部观察者的角度来看，系统的行为就像是所有操作都在某个特定的时间点瞬间完成的，而这些时间点的顺序与操作的实际发起顺序相同。
• 顺序一致性（Sequential Consistency）：顺序一致性要求系统中的操作按照每个节点（或进程）上的发生顺序执行。对于每个节点，操作的执行顺序必须与其在全局时间顺序中的顺序一致。然而，它并不要求不同节点的操作在物理时间上严格遵循先后顺序。换句话说，允许一个节点在本地时间上先读取到旧值，只要整个操作历史对所有节点呈现出一个一致的逻辑顺序即可。顺序一致性是一种介于强一致性和最终一致性之间的中间状态，它比强一致性稍弱，但比大多数最终一致性模型更强。

总之，顺序一致性在保证单个进程内部操作顺序与全局顺序一致的同时，允许一定程度的灵活性，而线性一致性则提供了更强的时间顺序保证，确保操作的执行顺序与它们在时间上的先后顺序完全一致。

如下图所示，当 Leader 节点收到多数 Follower 节点的确认（ack）后，会立即执行 commit 操作，并实时向请求方反馈处理成功。然而，在这一瞬间，另一个客户端可能对尚未同步到最新数据的 Follower 节点发起查询。由于查询操作并非事务性操作，Follower 节点可以独立处理。此时，该 Follower 节点可能尚未获取到最新的数据 x，因此会向客户端返回空值。

那么，小明可能会问：ZooKeeper 的机制仅仅如此吗？当然不是，这只是其中的一部分，接下来让我们继续深入探讨。

单一视图保证

确实，在这种读取场景下，ZooKeeper 并未完全实现线性一致性，而是选择了顺序一致性作为其基本保证。然而，ZooKeeper 并未止步于此，它还通过一些额外的机制，使读取操作更接近强一致性。 ZooKeeper单一视图

从上述情况可以了解到，如果客户端曾经连接过一个较新的服务（即具有更大的 zxid），那么它将永远不会尝试连接到较旧的服务，关于这一机制的详细信息，我们可以参考相关的资料，例如 Git 上的相应 Pull Request，以及源码中的具体实现：
git相应PR：ZOOKEEPER-3373:需要更改文档中"单系统映像"保证的描述 #931
源码引用：org.apache.zookeeper.server.ZooKeeperServer#processConnectRequest

结语

回顾我们最初的问题：ZooKeeper 是否实现了强一致性？现在，我们可以给出明确的答案：

此时我想我们可以给出答案了：

• 事务操作：ZooKeeper 保证了线性一致性，这等同于强一致性。
• 读操作：虽然 ZooKeeper 主要保证顺序一致性，但它在此基础上进一步补充了单一视图（单调读一致性）和会话一致性。

这些设计选择都是经过精心权衡的结果（trade-off），旨在在性能和一致性之间找到最佳平衡。