分析&回答

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Distributed Snapshot

所謂分布式快照，實際上就是特定時間點記錄下來的分布式系統的全局狀態（global state）。分布式快照的主要用途有故障恢復（即檢查點）、死鎖檢測、垃圾收集等。

為了方便理解，我們仍然沿用原論文中的方法，將分布式系統抽象為一張有向圖：頂點稱為進程（process），邊稱為鏈路（channel）。下圖就示出包含3個進程和4個鏈路的分布式系統。

那么，全局狀態就要包含所有進程的狀態以及所有鏈路的狀態。由于進程之間在通過鏈路不停地交換數據，所以以下動作都可能造成全局狀態的改變：

• 進程p收到或發出一條消息M；
• 鏈路c承載了到達或離開進程p的一條消息M。

論文中將使分布式系統狀態發生變化的因素叫做事件（event），并給出了它的形式化定義，即e=<p, s, s’, M, c>。p、M、c的定義上面已經提到了，而s和s’分別是進程p在事件e發生之前及發生之后的狀態。

可見，進程對自己的狀態是有感知的，而鏈路本身只負責傳遞消息，它們的狀態不容易記錄。并且我們無法讓時間靜止，各個進程的時鐘也很有可能不同步，故不能在一瞬間同時捕獲所有進程和鏈路的狀態。所以必須要曲線救國，通過每個進程記錄的與自己相關的狀態合并出全局狀態，這也是Chandy-Lamport算法的核心思想所在。

下面具體介紹算法的細節。

The Chandy-Lamport Algorithm

Chandy-Lamport算法基于如下前提：在每對進程pi、pj之間都存在兩條單向的鏈路cij和cji，即對于pi來講，cij是出邊，cji是入邊。鏈路的網絡可靠，緩存無限大，并且先進先出，即鏈路上的消息會不重不漏地按序到達。

算法要達到如下的終極目標：

最終產生的快照必須保證一致性；

快照過程不能影響系統正常運行，更不能stop the world。

為了保證成功取得全局快照，Chandy-Lamport算法分為3個階段，即初始化快照、擴散快照與完成快照，并且借助一種與正常消息不同的特殊消息作為標記，英文稱為marker。這3個階段并沒有直接體現在論文中，而是出自普林斯頓大學相關課程的PPT，但算法實際流程則是嚴格一致的。下面敘述3個階段的流程。

Initiating a Snapshot

假設進程pi發起快照：

pi記錄自己的狀態；

pi通過所有出邊鏈路cij向其他進程pj發送marker消息；

pi通過所有入邊鏈路cji開始監聽所有流向自己的消息。

Propagating a Snapshot

對于任意一個進程pj（包含發起快照的那個進程），考慮它的所有入邊鏈路ckj。當在ckj上收到了marker消息時，有兩種情況。

• 如果pj還沒有記錄自己的狀態——

pj記錄自己的狀態，并將ckj標記為空；

pj通過所有出邊鏈路向其他進程發送marker消息；

通過所有入邊鏈路開始監聽所有流向自己的消息。

• 如果pj已經記錄過自己的狀態——
  記下入邊鏈路上監聽到的消息，直到收到marker消息為止。

Terminating a Snapshot

若所有進程都成功地：

• 收到了marker消息；
• 記錄下了自己的狀態；
• 記錄下了入邊鏈路的狀態（就是鏈路上的消息）

則快照成功，算法流程結束。然后就可以將所有這些狀態傳輸到一個穩定的分布式存儲中心，全局快照就產生了。

Understanding the Algorithm

全局快照的難點在于，因為系統不能停止，每個進程向下游發送的消息是源源不斷的，所以必須得有個東西來劃分“當前的消息”與“將來的消息”，讓它們不會混淆，而marker消息就是這個界限。對進程pj的入邊鏈路ckj而言，如果收到的消息序列是[a, b, c, marker, d, e, f]，那么就說明a/b/c三條消息屬于當前快照，而d/e/f三條消息屬于下一個快照。

另外，因為每個進程都記錄自己收到的消息，所以進程最終都能持有入邊鏈路的狀態。為什么要用接收進程來記錄？用兩句大白話來解釋：

• 只有發送了數據，下游才會（按序）接收到數據；
• 發送者無法知道數據在下游的接收情況。

如果不這樣設計，而采用簡單的單令牌系統的話，就會有問題。仍然借用論文中給出的一個例子：

進程p和q以令牌（token）的傳送來標定狀態，s1表示持有令牌，s0表示未持有令牌。假設在“token in C”全局狀態下保存快照，而q的時間戳比p早，那么就會造成兩個進程都處于s0狀態，而q認為令牌不在鏈路C中，p也認為令牌不在鏈路C’中，因此快照里令牌就會丟失，造成不一致。

Example

下面的圖示出有兩個進程的分布式系統根據Chandy-Lamport算法生成快照的過程，其中藍色的部分表示狀態已經被保存，并且進程P1發起快照。

反思&擴展

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該算法是Flink Checkpoint機制原理核心算法。

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總結

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