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个人整理的面试题汇总（六）——分布式系统

分类: 文章 • 2025-04-29 17:26:58

分布式系统

分布式事务

指事务的每个操作步骤都位于不同的节点上，需要保证事务的 AICD 特性。

产生原因

数据库分库分表；

SOA 架构，比如一个电商网站将订单业务和库存业务分离出来放到不同的节点上。

应用场景

下单：减少库存同时更新订单状态。库存和订单不在不同一个数据库，因此涉及分布式事务。

支付：买家账户扣款同时卖家账户入账。买家和卖家账户信息不在同一个数据库，因此涉及分布式事务。

解决方案

3.1 两阶段提交协议

两阶段提交协议可以很好得解决分布式事务问题，它可以使用 XA 来实现，XA 它包含两个部分：事务管理器和本地资源管理器。其中本地资源管理器往往由数据库实现，比如 Oracle、DB2 这些商业数据库都实现了 XA 接口，而事务管理器作为全局的协调者，负责各个本地资源的提交和回滚。

3.2 消息中间件

消息中间件也可称作消息系统 (MQ)，它本质上是一个暂存转发消息的一个中间件。在分布式应用当中，我们可以把一个业务操作转换成一个消息，比如支付宝的余额转如余额宝操作，支付宝系统执行减少余额操作之后向消息系统发一个消息，余额宝系统订阅这条消息然后进行增加账户金额操作。

进程间的通信方式：

1.管道(pipe)及有名管道(named pipe)：

管道可用于具有亲缘关系的父子进程间的通信，有名管道除了具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信。

2.信号(signal)：

信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，它是比较复杂的通信方式，用于通知进程有某事件发生，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求效果上可以说是一致的。

3.消息队列(message queue)：

消息队列是消息的链接表，它克服了上两种通信方式中信号量有限的缺点，具有写权限得进程可以按照一定得规则向消息队列中添加新信息；对消息队列有读权限得进程则可以从消息队列中读取信息。

4.共享内存(shared memory)：

可以说这是最有用的进程间通信方式。它使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据得更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。

共享内存是System V版本的最后一个进程间通信方式。共享内存，顾名思义就是允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存，共享内存是两个正在运行的进程之间共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常为同一段物理内存。进程可以将同一段物理内存连接到他们自己的地址空间中，所有的进程都可以访问共享内存中的地址。如果某个进程向共享内存写入数据，所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。

特别提醒：共享内存并未提供同步机制，也就是说，在第一个进程结束对共享内存的写操作之前，并无自动机制可以阻止第二个进程开始对它进行读取，所以我们通常需要用其他的机制来同步对共享内存的访问，例如信号量。

共享内存的通信原理
在Linux中，每个进程都有属于自己的进程控制块（PCB）和地址空间（Addr Space），并且都有一个与之对应的页表，负责将进程的虚拟地址与物理地址进行映射，通过内存管理单元（MMU）进行管理。两个不同的虚拟地址通过页表映射到物理空间的同一区域，它们所指向的这块区域即共享内存。

当两个进程通过页表将虚拟地址映射到物理地址时，在物理地址中有一块共同的内存区，即共享内存，这块内存可以被两个进程同时看到。这样当一个进程进行写操作，另一个进程读操作就可以实现进程间通信。但是，我们要确保一个进程在写的时候不能被读，因此我们使用信号量来实现同步与互斥。

对于一个共享内存，实现采用的是引用计数的原理，当进程脱离共享存储区后，计数器减一，挂架成功时，计数器加一，只有当计数器变为零时，才能被删除。当进程终止时，它所附加的共享存储区都会自动脱离。

5.信号量(semaphore)：

主要作为进程之间及同一种进程的不同线程之间得同步和互斥手段。

6.套接字(socket)；

这是一种更为一般得进程间通信机制，它可用于网络中不同机器之间的进程间通信，应用非常广泛。

负载均衡的算法与实现

\1. 算法

1.1 轮询（Round Robin）

轮询算法把每个请求轮流发送到每个服务器上。下图中，一共有 6 个客户端产生了 6 个请求，这 6 个请求按 (1, 2, 3, 4, 5, 6) 的顺序发送。最后，(1, 3, 5) 的请求会被发送到服务器 1，(2, 4, 6) 的请求会被发送到服务器 2。

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该算法比较适合每个服务器的性能差不多的场景，如果有性能存在差异的情况下，那么性能较差的服务器可能无法承担多大的负载。下图中，服务器 2 的性能比服务器 1 差，那么服务器 2 可能无法承担多大的负载。

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1.2 加权轮询（Weighted Round Robbin）

加权轮询是在轮询的基础上，根据服务器的性能差异，为服务器赋予一定的权值。例如下图中，服务器 1 被赋予的权值为 5，服务器 2 被赋予的权值为 1，那么 (1, 2, 3, 4, 5) 请求会被发送到服务器 1，(6) 请求会被发送到服务器 2。

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1.3 最少连接（least Connections）

由于每个请求的连接时间不一样，使用轮询或者加权轮询算法的话，可能会让一台服务器当前连接数多大，而另一台服务器的连接多小，造成负载不均衡。例如下图中，(1, 3, 5) 请求会被发送到服务器 1，但是 (1, 3) 很快就断开连接，此时只有 (5) 请求连接服务器 1；(2, 4, 6) 请求被发送到服务器 2，它们的连接都还没有断开，继续运行时，服务器 2 会承担多大的负载。

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最少连接算法就是将请求发送给当前最少连接数的服务器上。例如下图中，服务器 1 当前连接数最小，那么请求 6 就会被发送到服务器 1 上。

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1.4 加权最小连接（Weighted Least Connection）

在最小连接的基础上，根据服务器的性能为每台服务器分配权重，然后根据权重计算出每台服务器能处理的连接数。

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1.5 随机算法（Random）

把请求随机发送到服务器上。和轮询算法类似，该算法比较适合服务器性能差不多的场景。

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\2. 实现

2.1 DNS 解析

使用 DNS 作为负载均衡器，会根据负载情况返回不同服务器的 IP 地址。大型网站基本使用了这种方式最为第一级负载均衡手段，然后在内部在第二级负载均衡。

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2.2 修改 MAC 地址

使用 LVS（Linux Virtual Server）这种链路层负载均衡器，根据负载情况修改请求的 MAC 地址。

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2.3 修改 IP 地址

在网络层修改请求的目的 IP 地址。

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2.4 HTTP 重定向

HTTP 重定向负载均衡服务器收到 HTTP 请求之后会返回服务器的地址，并将该地址写入 HTTP 重定向响应中返回给浏览器，浏览器收到后再次发送请求。

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2.5 反向代理

正向代理：发生在客户端，是由用户主动发起的。比如客户端通过主动访问代理服务器，让代理服务器获得需要的外网数据，然后转发回客户端。

反向代理：发生在服务器端，用户不知道发生了代理。

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分布式锁是什么，有哪些实现方式？

为了防止分布式系统中的多个进程之间相互干扰，我们需要一种分布式协调技术来对这些进程进行调度。而这个分布式协调技术的核心就是来实现这个分布式锁。

在分布式系统环境下，一个方法在同一时间只能被一个机器的一个线程执行

高可用的获取锁与释放锁

高性能的获取锁与释放锁

具备可重入特性（可理解为重新进入，由多于一个任务并发使用，而不必担心数据错误）

具备锁失效机制，防止死锁

具备非阻塞锁特性，即没有获取到锁将直接返回获取锁失败

Memcached：利用 Memcached 的 add 命令。此命令是原子性操作，只有在 key 不存在的情况下，才能 add 成功，也就意味着线程得到了锁。

Redis：和 Memcached 的方式类似，利用 Redis 的 setnx 命令。此命令同样是原子性操作，只有在 key 不存在的情况下，才能 set 成功。

Zookeeper：利用 Zookeeper 的顺序临时节点，来实现分布式锁和等待队列。Zookeeper 设计的初衷，就是为了实现分布式锁服务的。

Chubby：Google 公司实现的粗粒度分布式锁服务，底层利用了 Paxos 一致性算法。

常用的消息中间件有哪些？

当前使用较多的消息队列有RabbitMQ、RocketMQ、ActiveMQ、Kafka、ZeroMQ、MetaMQ等，而部分数据库如Redis、MySQL以及phxsql也可实现消息队列的功能。

消息队列是指利用高效可靠的消息传递机制进行与平台无关的数据交流，并基于数据通信来进行分布式系统的集成。

RabbitMQ

RabbitMQ于2007年发布，是一个在AMQP(高级消息队列协议)基础上完成的，可复用的企业消息系统，是当前最主流的消息中间件之一。

特点

  1. 可靠性：提供了多种技术可以让你在性能和可靠性之间进行权衡。这些技术包括持久性机制、投递确认、发布者证实和高可用性机制；
  2. 灵活的路由：消息在到达队列前是通过交换机进行路由的。RabbitMQ为典型的路由逻辑提供了多种内置交换机类型。如果你有更复杂的路由需求，可以将这些交换机组合起来使用，你甚至可以实现自己的交换机类型，并且当做RabbitMQ的插件来使用；
  3. 消息集群：在相同局域网中的多个RabbitMQ服务器可以聚合在一起，作为一个独立的逻辑代理来使用；
  4. 队列高可用：队列可以在集群中的机器上进行镜像，以确保在硬件问题下还保证消息安全；
  5. 支持多种协议：支持多种消息队列协议；
  6. 支持多种语言：用Erlang语言编写，支持只要是你能想到的所有编程语言；
  7. 管理界面：RabbitMQ有一个易用的用户界面，使得用户可以监控和管理消息Broker的许多方面；
  8. 跟踪机制：如果消息异常，RabbitMQ 提供消息跟踪机制，使用者可以找出发生了什么；
  9. 插件机制：提供了许多插件，来从多方面进行扩展，也可以编写自己的插件。

优点

  1. 由于Erlang语言的特性，消息队列性能较好，支持高并发；
  2. 健壮、稳定、易用、跨平台、支持多种语言、文档齐全；
  3. 有消息确认机制和持久化机制，可靠性高；
  4. 高度可定制的路由；
  5. 管理界面较丰富，在互联网公司也有较大规模的应用，社区活跃度高。

缺点

  1. 尽管结合 Erlang 语言本身的并发优势，性能较好，但是不利于做二次开发和维护；
  2. 实现了代理架构，意味着消息在发送到客户端之前可以在中央节点上排队。此特性使得RabbitMQ易于使用和部署，但是使得其运行速度较慢，因为中央节点 增加了延迟，消息封装后也比较大；需要学习比较复杂的接口和协议，学习和维护成本较高。

RocketMQ

RocketMQ出自阿里的开源产品，用Java语言实现，在设计时参考了Kafka，并做出了自己的一些改进，消息可靠性上比Kafka更好。RocketMQ在阿里内部被广泛应用在订单，交易，充值，流计算，消息推送，日志流式处理，binglog分发等场景。

特点

  1. 基于 队列模型：具有高性能、高可靠、高实时、分布式等特点；
  2. Producer、Consumer、队列都支持分布式；
  3. Producer向一些队列轮流发送消息，队列集合称为Topic。Consumer如果做广播消费，则一个Consumer实例消费这个Topic对应的所有队列；如果做集群消费，则多个Consumer 实例平均消费这个Topic对应的队列集合；
  4. 能够保证严格的消息顺序；
  5. 提供丰富的消息拉取模式；
  6. 高效的订阅者水平扩展能力；
  7. 实时的消息订阅机制；
  8. 亿级消息堆积 能力；
  9. 较少的外部依赖。

优点

  1. 单机支持1万以上持久化队列；
  2. RocketMQ的所有消息都是持久化的，先写入系统PAGECACHE，然后刷盘，可以保证内存与磁盘都有一份数据，而访问时，直接从内存读取。
  3. 模型简单，接口易用（JMS的接口很多场合并不太实用）；
  4. 性能非常好，可以允许大量堆积消息在Broker中；
  5. 支持多种消费模式，包括集群消费、广播消费等；
  6. 各个环节分布式扩展设计，支持主从和高可用；
  7. 开发度较活跃，版本更新很快。

缺点

  1. 支持的 客户端语言不多，目前是Java及C++，其中C++还不成熟；
  2. RocketMQ社区关注度及成熟度也不及前两者；
  3. 没有Web管理界面，提供了一个 CLI (命令行界面) 管理工具带来查询、管理和诊断各种问题；
  4. 没有在MQ核心里实现JMS等接口；

Activate MQ

ActiveMQ是由Apache出品，ActiveMQ是一个完全支持JMS1.1和J2EE 1.4规范的JMS Provider实现。它非常快速，支持多种语言的客户端和协议，而且可以非常容易的嵌入到企业的应用环境中，并有许多高级功能。

特点

  1. 服从JMS规范：JMS 规范提供了良好的标准和保证，包括：同步 或 异步 的消息分发，一次和仅一次的消息分发，消息接收和订阅等等。遵从JMS规范的好处在于，不论使用什么JMS实现提供者，这些基础特性都是可用的；
  2. 连接灵活性：ActiveMQ提供了广泛的连接协议，支持的协议有：HTTP/S，IP多播，SSL，TCP，UDP等等。对众多协议的支持让ActiveMQ拥有了很好的灵活性；
  3. 支持的协议种类多：OpenWire、STOMP、REST、XMPP、AMQP；
  4. 持久化插件和安全插件：ActiveMQ提供了多种持久化选择。而且，ActiveMQ的安全性也可以完全依据用户需求进行自定义鉴权和授权；
  5. 支持的客户端语言种类多：除了Java之外，还有：C/C++，.NET，Perl，PHP，Python，Ruby；
  6. 代理集群：多个ActiveMQ代理可以组成一个集群来提供服务；
  7. 异常简单的管理：ActiveMQ是以开发者思维被设计的。所以，它并不需要专门的管理员，因为它提供了简单又使用的管理特性。有很多中方法可以监控ActiveMQ不同层面的数据，包括使用在JConsole或者在ActiveMQ的WebConsole中使用JMX。通过处理JMX的告警消息，通过使用命令行脚本，甚至可以通过监控各种类型的日志。

优点

  1. 跨平台(JAVA编写与平台无关，ActiveMQ几乎可以运行在任何的JVM上)；
  2. 可以用JDBC：可以将数据持久化到数据库。虽然使用JDBC会降低ActiveMQ的性能，但是数据库一直都是开发人员最熟悉的存储介质；
  3. 支持JMS规范：支持JMS规范提供的统一接口;
  4. 支持自动重连和错误重试机制；
  5. 有安全机制：支持基于shiro，jaas等多种安全配置机制，可以对Queue/Topic进行认证和授权；
  6. 监控完善：拥有完善的监控，包括WebConsole，JMX，Shell命令行，Jolokia的RESTful API；
  7. 界面友善：提供的WebConsole可以满足大部分情况，还有很多第三方的组件可以使用，比如hawtio；

缺点

  1. 社区活跃度不及RabbitMQ高；
  2. 根据其他用户反馈，会出莫名其妙的问题，会丢失消息；
  3. 目前重心放到activemq6.0产品Apollo，对5.x的维护较少；
  4. 不适合用于上千个队列的应用场景；

Kafka

Apache Kafka是一个分布式消息发布订阅系统。它最初由LinkedIn公司基于独特的设计实现为一个分布式的日志提交系统(a distributed commit log)，之后成为Apache项目的一部分。Kafka性能高效、可扩展良好并且可持久化。它的分区特性，可复制和可容错都是其不错的特性。

特点

  1. 快速持久化：可以在O(1)的系统开销下进行消息持久化；
  2. 高吞吐：在一台普通的服务器上既可以达到10W/s的吞吐速率；
  3. 完全的分布式系统：Broker、Producer和Consumer都原生自动支持分布式，自动实现负载均衡；
  4. 支持同步和异步复制两种高可用机制；
  5. 支持数据批量发送和拉取；
  6. 零拷贝技术(zero-copy)：减少IO操作步骤，提高系统吞吐量；
  7. 数据迁移、扩容对用户透明；
  8. 无需停机即可扩展机器；
  9. 其他特性：丰富的消息拉取模型、高效订阅者水平扩展、实时的消息订阅、亿级的消息堆积能力、定期删除机制；

优点

  1. 客户端语言丰富：支持Java、.Net、PHP、Ruby、Python、Go等多种语言；
  2. 高性能：单机写入TPS约在100万条/秒，消息大小10个字节；
  3. 提供完全分布式架构，并有replica机制，拥有较高的可用性和可靠性，理论上支持消息无限堆积；
  4. 支持批量操作；
  5. 消费者采用Pull方式获取消息。消息有序，通过控制能够保证所有消息被消费且仅被消费一次；
  6. 有优秀的第三方KafkaWeb管理界面Kafka-Manager；
  7. 在日志领域比较成熟，被多家公司和多个开源项目使用。

缺点

  1. Kafka单机超过64个队列/分区时，Load时会发生明显的飙高现象。队列越多，负载越高，发送消息响应时间变长；
  2. 使用短轮询方式，实时性取决于轮询间隔时间；
  3. 消费失败不支持重试；
  4. 支持消息顺序，但是一台代理宕机后，就会产生消息乱序；
  5. 社区更新较慢。

zookeeper

ZooKeeper是一个开放源码的分布式协调服务，它是集群的管理者，监视着集群中各个节点的状态根据节点提交的反馈进行下一步合理操作。最终，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。

分布式应用程序可以基于Zookeeper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。

Zookeeper保证了如下分布式一致性特性：

  • 顺序一致性
  • 原子性
  • 单一视图
  • 可靠性
  • 实时性（最终一致性）

客户端的读请求可以被集群中的任意一台机器处理，如果读请求在节点上注册了监听器，这个监听器也是由所连接的zookeeper机器来处理。对于写请求，这些请求会同时发给其他zookeeper机器并且达成一致后，请求才会返回成功。因此，随着zookeeper的集群机器增多，读请求的吞吐会提高但是写请求的吞吐会下降。

有序性是zookeeper中非常重要的一个特性，所有的更新都是全局有序的，每个更新都有一个唯一的时间戳，这个时间戳称为zxid（Zookeeper Transaction Id）。而读请求只会相对于更新有序，也就是读请求的返回结果中会带有这个zookeeper最新的zxid。

nginx

Nginx ，是一个 Web 服务器和反向代理服务器，用于 HTTP、HTTPS、SMTP、POP3 和 IMAP 协议。
目前使用的最多的 Web 服务器或者代理服务器，像淘宝、新浪、网易、迅雷等都在使用。
Nginx 的主要功能如下：
作为 http server (代替 Apache ，对 PHP 需要 FastCGI 处理器支持)
FastCGI：Nginx 本身不支持 PHP 等语言，但是它可以通过 FastCGI 来将请求扔给某些语言或框架处理。
反向代理服务器
实现负载均衡
虚拟主机

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