租约机制详解

概述

租约机制指在租约限期内，拥有租约的节点有权利操作一些预设好的对象，具体如下

• 租约是由授权者授予的一段时间内的承诺
  
• 授权者一旦发出租约，则无论接受方是否收到，也无论后续吸收方处于何种状态，只要租约不过期，授权者就得遵守承诺，按承诺的时间和内容执行。
  
• 吸收方在有效期内可以使用授权者的租约，如果租约过期，那么授权者将不再对租约的承诺负责。如果要继续使用租约，则需要重新申请。
  
• 可以通过版本号、时间周期或者某个固定的时间点判断租约是否有效
  

可以把租约机制和公司的权利下放做类比来帮助明白。公司有董事会、CEO、CTO 和 CFO，董事会把公司不同的管理权限在一定时间内分别授权 CEO、CTO、CFO，在固定的时间段内如果有相关事宜，则直接找 CEO、CTO、CFO 处置惩罚，不必所有事变都要经过董事会，由于董事会已经授权了 CEO、CTO、CFO 在部门时间段内拥有相关事宜的执行权限，而在该时间段内董事会不能违约，因此 CEO、CTO、CFO 可以按照线定执行相关权利，在约定的时间到期后，CEO、CTO、CFO 需要考虑是续约还是解约

租约机制解决的题目

1. 分布式体系节点的状态变化

现在，大部门分布式体系都是采用主备的方式来实现的，一般主节点负责集群的管理工作，同时负责数据的写操作并将数据同步到各个备节点。备节点吸收用户的读操作，当当主节点发生宕机时，从备节点中选举出一个主节点，继续为体系服务
那么集群中的各个节点是如何确定其他节点状态的呢？答案是通过心跳机制。假设有三个节点，分别为 Server-1、Server-2、Server-3，它们之间互为副本，其中 Server-1 为主节点，Server-2、Server-3 为备节点。另一个节点 Server-Electer 负责判断节点状态，在发现主节点异常后，会从备节点重新选出一个主节点继续为集群服务。
Server-Electer 通过心跳机制定时与其他节点通信，如果凌驾一段时间收不到某个节点的心跳，则以为该节点异常。这种机制在集群中各个节点之间网络正常的情况下运行良好，但是在发生网络分区（集群中各个节点网络通信异常）时会出现题目。比如 Server-Electer 节点收不到主节点的心跳，除了大概是由于主节点自己发生异常，还有大概是由于 Server-Electer 和主节点之间的网络通信发生异常。这时，如果 Server-Electer 和 Server-2、Server-3 之间的通信正常，则 Server-Electer 会从两个备节点中选出一个主节点，这里假定选举 Server-2 为主节点，则集群出现两个主节点，我们称之为双主题目。如果集群出现双主题目，则在 Server-1 的网络恢复后，备节点 Server-3 收到 Server-1 和 Server-2 两个主节点的数据同步哀求，Server-3 的数据就会出现不一致的情况
出现双主题目时该如何处置惩罚呢？租约机制给了我们很好的解决方案。在租约机制的实现中，由选举节点向其他节点发送租约，如果该节点持有有效的租约，则以为该节点可以正常提供服务。比方三个工作节点 Server-1、Server-2、Server-3 仍旧通过心跳机制向选举节点 Server-Electer 汇报自己的状态，选举节点在收到心跳后发送一个租约给三个工作节点，表现确认节点的状态，并允许在有效期内使用该租约的权力并对外提供服务
这时可以让选举节点 Server-Electer 给主节点 Server-1 一个特殊的租约，表现该节点为主节点，一旦发生网络分区或者其他题目，选举节点需要切换主节点，则只需等待之前主节点的租约到期，再重新给新选举出的主节点颁发新的租约即可。即使之前的主节点网络恢复，其他节点发现其租约已经到期，也不会将其认定为主节点
2. 分布式缓存

在分布式体系中，为了加快用户读取数据的速度，我们常常将常常被访问的数据缓存在客户端，如许在用户读取数据时，会先从本地缓存读取，如果在缓存中没有则从服务端获取最新的数据并更新本地缓存
但是这种方案存在缓存一致性题目，针对该题目有两种常见的解决方案，一种方案是轮询，即客户端在每次读取数据时，都先询问服务端缓存中的数据是不是最新的，如果不是，就从服务端获取最新的数据。采用这种方案时，每次读取数据都要与服务端通信，会增加服务端的压力，降低缓存的结果
另一种方案就是无效化，服务端对数据做修改时，会起首通知这些客户端数据已经失效，让客户端重新加载。这种做法的题目在于服务端需要维护所有客户端的状态，而且每次进行数据更新通知所有客户端。这增加了服务端的复杂度和运行的负担，如果联系不上客户端、则修改操作将无法顺利通知到客户端，使得客户端出现数据不一致的情况
那我们如何利用租约机制来解决缓存一致性题目呢？我们可以让服务器给缓存客户端发一个租约，在租约有效期内，客户从客户端读取数据，如果服务器要更改数据，则起首征求这块数据租约的客户端的同意，之后才可以修改数据。客户端在从服务器中取数据时获取租约，在租约有效期内，如果没有收到服务器的修改哀求，就可以保证当前缓存中的内容是最新的。如果在租约时限内收到了数据修改哀求，而且同意了，就需要清空缓存并重新加载缓存。在租约过期以后，客户端如果还要从缓存中读取数据，就必须获取新的租约，我们称这个过程为续约。
如许在租约限期内，客户端可以保证其缓存中的数据是最新的。同时，租约可以容忍网络分割题目，如果发生客户端瓦解或者网络中断，则服务器只需等待其租约过期就可以进行修改操作。如果服务器出错，丢失了所有客户端的信息，则它只需知道租约的最长限期，就可以在这个限期之后安全地修改数据。与无效化的方式相比，服务器只需记着还有租约的客户端即可。
3. 缓解主节点压力

在分布式体系中，元数据的信息都在主节点上维护，用户在访问数据时，起首需要在主节点上访问元数据的信息，来定位数据所在的数据节点，然后到数据节点上访问数据，如许所有客户端的哀求都要先从主节点上获取源数据的信息，导致主节点压力过大
为了解决这个题目，我们可以将元数据的信息缓存在客户端，并通过租约机制保证租约有效期内主节点的数据和客户端一致。客户端在访问数据时，会先从本地缓仔中查找。如果本地援存没有，则再到主节点上查找，并更新缓存和租约信息，降低主节点的压力

租约机制的时钟同步题目

1. 颁发者的时钟比吸收者的时钟快

如果颁发者的时钟比吸收者的时钟快，那么在颁发者以为租约已经过期时，吸收者却依旧以为租约有效，导致承诺失效，影响体系的精确性。通常做法是将颁发者的有效限期设置得比吸收者的略大，只要大过期钟偏差，就可以避免对租约有效性产生影响
2. 颁发者的时钟比吸收者的时钟慢

如果颁发者的时钟比吸收者的时钟慢，则当吸收者以为租约已经过期时，颁发者依旧以为租约有效。吸收者可以在租约到期前，以再次申请租约的方式解决这个题目

租约机制的应用

1. HDFS 中的租约机制

在 HDFS 中，当客户端用户向某个文件中写数据时，为了保障数据的一致性，其他客户端是不允许向此文件写数据的。那么 HDFS 是如何实现这一点的呢？答案是租约机制，当客户要写某一个 HDFS 文件时，起首从 HDFS 服务获取一个写该文件的租约，只有持有该租约的客户端才允许对该文件进行写操作，否则客户端对该文件的写哀求将被驳回，客户端在对文件写操作完成时释放租约
2. Eureka 中的租约机制

Eureka 实现了服务注册和服务发现的功能。Eureka 的角色分为服务端（EurekaServer）和客户瑞，客户端指注册到注册中央（EurekaServer）的服务实例，又分为服务提供者和服务消费者，服务消费者从计册中央获取服务提供者的服务地址，并调用该服务。服务提供者在启动时，起首会将自己的信息注册到 EurekaServer，并维护一个续约哀求，一连发送信息给 EurekaServer 表现其正常运行。如果 EurekaServer 长时间收不到续约哀求，会将该服务实例从服务列表中剔除

租约机制的特性

• 在租约机制的颁发过程中只要求网络可以单向通信，同一个租约颁发者可以重复向接受方发送租约，颁发者即使偶尔发送租约失败，也可以简单地通过重发租约来解决向题
  
• 机器宕机对租约机制的影响不大，如果颁发者发生宕机，则宕机的颁发者通常无法改变之前的承诺，不会影响租约的精确性。在颁发者宕机恢复后，如果颁发者恢复了之前的租约信息，则颁发者可以继续遵守租约的承诺。如果颁发者无法恢复租约信息，则只需等待一个最大的租约超时时间即可
  
• 租约机制依赖于有效期，这就要求颁发者和吸收者的时钟同步
  
• 在实际实现中，我们还需要考虑租约失效后颁发者或主节点资源释放的题目
  

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