向量时钟Vector Clock in Riak

Riak 是以 Erlang 编写的一个高度可扩展的分布式数据存储，Riak的实现是基于Amazon的Dynamo论文，Riak的设计目标之一就是高可用。Riak支持多节点构建的系统，每次读写请求不需要集群内所有节点参与也能胜任。像这样的系统，我们需要版本机制来确定哪个值是最新的。所以就引入了向量时钟（Vector Clock）

当存储一个对象到Riak时，都被打上向量时钟标签。通过向量空间祖先继承的关系比较，Riak可以自动的修复不同步的值，使数据保持最终一致性。

向量时钟的作用

有个比较经典的例子，说明向量时钟的作用。假设有如下场景：

Alice、Ben、Catby和Dave四人约定下周一起聚餐，四个人通过邮件商量聚餐的时间。
Alice首先建议周三聚餐。
之后Dave和Catby商量觉得周四更合适。
后来Dave又和Ben商量之后觉得周二也行。
最后Alice要汇总大家的意见，得到的反馈如下：
Cathy说，他和Dave商量的时间是周四
Ben说，他和Dave商量的时间是周三

此时恰好联系不上Dave，而且不知道Cathy和Ben分别与Dave确定时间的先后顺序，Alice就不能确定到底该定在哪天了。

Vector Clock就是为了解决这种问题而设计的，简单来说，就是为每个商议结果加上一个时间戳，当结果改变时，更新时间戳。所以加上时间戳之后，我们再一次描述上面的场景，如下：

当Alice第一次提议将时间定为周三时，可以这样描述信息
date = Wednesday
vclock = Alice:1

其他三个人都收到了信息，Dave和Ben开始交流，Ben建议改成周二，把Alice的初试向量加进去标识Ben看到Alice的消息了
date = Tuesday
vclock = Alice:1, Ben:1

Dave回复Ben，确定周二可以
date = Tuesday
vclock = Alice:1, Ben:1, Dave:1

然后Cathy开始说话，也和Dave说建议周四，此时在Dave看来就收到了两个数据如下：
date = Tuesday
vclock = Alice:1, Ben:1, Dave:1

date = Thursday
vclock = Alice:1, Cathy:1
这两份数据，各自都不是互相的祖先，所以就产生了冲突，Dave要自动解决这个冲突，他选择了周四，然后将消息改成如下，继承来自Dave现在收到的两条消息，这个消息发回给Cathy
date = Thursday
vclock = Alice:1, Ben:1, Cathy:1, Dave:2


最后来了，Alice只问Ben和Cathy最后的决定：
Ben说
date = Tuesday
vclock = Alice:1, Ben:1, Dave:1

Cathy说
date = Thursday
vclock = Alice:1, Ben:1, Cathy:1, Dave:2

Alice就明白了，因为第二个Cathy说的是完全继承于Ben说的，所以最后采纳Cathy说的决定，周四去。

以上这个决策用到了向量时钟，有个图还比较清晰了说明整个过程：

 

向量时钟的空间无限增长问题

以上的做法还比较完美的解决了问题，这里只列举了四个决策者的向量时钟，不过在现实生活中，如果有很多的决策者，相当于有很多的客户端，整个向量时钟的长度就无限制增长了，这对于存储系统来说，不是一个好消息。我们需要想办法解决。

一个直接的想法是，不要用client来标识向量空间，用server来标识向量空间，因为server的数量是可控的，这里用X，Y两台server来重现以上决策的过程，只是标签不再用客户端，而是用server标识，决策过程如下

此时Dave收到两个消息

Tue X:2,Y:1  with Ben

Thu X:1,Y1   from Cathy （这个消息比较新）

发现后者是前者的祖先，所以自然抛弃祖先，最终最新的，这样就悄无声息的把Cathy给他的消息给丢了。

所以尝试用server来做标识，以期减少向量时钟的空间是不可取的，因为会丢数据。实际情况还是需要用客户端的标识来做向量时钟。

向量时钟的剪枝

所以为了解决向量时钟空间的无限增长问题，引入了向量时钟的剪枝。

Riak用四个参数来避免向量时钟空间的无限增长：

• small_vclock
• big_vclock
• young_vclock
• old_vclock

small_vclock和big_vclock参数标识向量时钟的长度，如果长度小于small_vclock就不会被剪枝掉，如果长度大于big_vclock就会被剪枝掉

young_vclock和old_vclock参数标识存储这个向量时钟时的时间戳，剪枝策略同理，大于old_vclock的才会被剪枝掉，剪枝策略如下图

 这样只会丢掉一些向量时钟的信息，即数据更新过程的信息，但是不会丢掉实实在在的数据。只有当一种情况会有问题，就是一个客户端保持了一个很久之前的向量时钟，然后继承于这个向量时钟提交了一个数据，此时就会有冲突，因为服务器这边已经没有这个很久之前的向量时钟信息了，已经被剪枝掉了可能，所以客户端提交的此次数据，在服务端无法找到一个祖先，此时就会创建一个sibling。

所以这个剪枝的策略是一个权衡tradeoff，一方面是无限增长的向量时钟的空间，另一方面是偶尔的会有"false merge"，对，但肯定的是，不会悄无声息的丢数据。综上，为了防止向量时钟空间的无限增长，剪枝还是比用server标识向量时钟工作的更好。

参考：

http://docs.basho.com/riak/latest/theory/concepts/Vector-Clocks/

http://basho.com/why-vector-clocks-are-easy/

http://basho.com/why-vector-clocks-are-hard/

《大型网站系统与Java中间件实践》