Paxos协议
目录
Paxos 是什么（What）
Paxos 的目的（Why）
角色与职责（Who）
基本流程（How）
常见问题与对策
什么是多数派（Quorum）
Paxos vs Raft 异同点
Paxos 是什么（What）
核心问题：在节点可能宕机、网络可能乱序/丢失的环境里，让副本对一个值达成一致（共识），并保证安全性：系统绝不会最终选出两个不同的值；在条件稳定时还要有活性：最终能选出一个值。
Safety（安全性）：永远不会发生坏事。在共识里指不会选出两个不同的值、不会破坏不变量。
Liveness（活性）：好事最终会发生。只要条件稳定（如有多数派、网络稳定），最终会选出一个值。
Single-Decree Paxos：只为一次决议选择一个值（例如第 k 个位置的值是什么）。它证明：一旦某值被多数派接受，这个值就是全局唯一的被选定值。
Multi-Paxos：把单次决议按槽位/索引重复，形成一条复制日志（slot 0、1、2…）。实践里通常选出一个稳定 Leader：第一步先做一次准备（Phase 1），随后大量槽位直接走接受阶段（Phase 2），从而把消息轮次降到近似两个来回/条目。
与 2PC 的关系：两阶段提交（2PC）假定可靠协调者，一旦协调者崩溃就可能阻塞；Paxos 则通过多数派 + 可抢占编号 + 持久化承诺/接受来保证崩溃容错下的安全性（即使协调者样的角色失败，也不会选出两个值），在网络稳定时还能继续前进。
槽位/索引（slot/index）：Multi-Paxos 中每一次决议对应的位置
可抢占编号：谁的排队号大，谁就能接着推进
持久化承诺 / 接受：说过的话、同意的事，要写在纸上存好，不能反悔。也就是会存到硬盘里
用一段话区分共识（决定一个值）与复制日志（决定很多值）
共识（决定一个值）关注的是对某一个槽位最终选哪个值，确保系统在任何时刻都不会出现两个不同的被选定值；达成一次就结束。复制日志（决定很多值）则把对单个槽位的共识按序多次执行，为每个槽位各自达成一次共识，进而得到一条全体副本顺序一致的操作序列；只要状态机是确定性的，把这条日志在各副本重放，就能得到同样的状态与输出。因此，共识是原子“砖块”，复制日志是把许多砖块按顺序砌成墙；Multi-Paxos 是用 Paxos 砖块去砌这堵一致的日志之墙。
状态机是确定性的：同样的初始状态 + 同样的指令顺序，一定会得到同样的结果和最终状态
Paxos 的目的（Why）
目标
Safety（安全性）永远成立：协议在任何时刻都不会让同一槽位产生两个不同的被选定值。Liveness（活性）在良好条件下成立：出现稳定时期、有可达多数派、且竞争趋缓/稳定 Leader时，最终会选出一个值。
可达的意思是指节点之间能够正常通信
非目标
不承诺最短/固定时间内完成决定（无有界终止时间保证）
在强竞争（多主互抢）、网络分区或不到多数派时可能无进展，但不会出错（Safety 仍保留）
角色与职责（Who）
Proposer（提议者）
生成提案（编号 n，值 v），发起两阶段；在 Multi-Paxos 中常由Leader担任，负责连续多个槽位（日志索引）
Acceptor（接受者）
作为“法官”投票：对较大的 n 做承诺（Promise），并在不违背承诺的前提下接受（Accept）某个 (n, v)。安全性核心在它。
Learner（学习者）
收集“Accepted”证据，当获知多数派接受同一 (n, v) 即学习/提交该值；不参与仲裁。
Distinguished Proposer / Leader（特殊提议者 / 领导者）（工程常见）
通过选主把并发冲突降到最低；稳定后可在多数派上一次 Phase-1，多次 Phase-2（Multi-Paxos）
Acceptor 必须落盘保证安全；Proposer/Learner 可不落盘，只影响活性与恢复体验（工程上常做适度持久化更稳定）
如果leader被替换，acceptor又接受了这个leader的提案怎么办？
如果 Leader 被替换，Acceptor 也会把自己曾经接受过的提案报告给新 Leader，新 Leader 必须继承这些值；因此 Paxos 保证：旧 Leader 已经多数派接受的值不会丢，没形成多数的值可以被覆盖，否则会破坏 Safety。
基本流程（How）
Phase 1｜Prepare/Promise
Proposer 发送 Prepare(n)；任何接到的 Acceptor 若 n > promised_n，则：
将 promised_n ← n（持久化），承诺不再接受 < n 的提案
用 Promise 回应，并携带自己已接受过的最高对 (accepted_n, accepted_value)（如果有）
Phase 2｜Accept/Accepted
Proposer 收到多数 Promise 后：
若看到任何已接受值，则取编号最高的那个值 v；否则可用自己的值
发送 Accept(n, v)；Acceptor 若不违背承诺（n ≥ promised_n）则：
accepted_n ← n，accepted_value ← v（持久化），并回 Accepted(n, v)
决议/学习
当多数 Acceptor 对同一 (n, v) 回 Accepted，该值 v 被选定；Learner 收敛/提交
常见问题与对策
1. 多主竞争导致活锁
现象：多个 Proposer 同时用不同编号发起 Prepare/Accept，互相抢占，提案不断被更大编号打断，迟迟难以完成一次决议。
对策：选主（Leader）集中出提案；或加退避/随机化与编号跃迁策略，减少碰撞。
退避
现象：多个 Proposer 同时冲突 → 都收不到多数 → 继续发更大编号提案 → 无限抢占 → 活锁。
退避策略：当 Proposer 发现自己提案被抢占（比如收到了更大编号的 Promise），就不要立刻重试，而是等待一段时间再试。
意义：给对方机会先跑完一轮，避免无限抢占循环。
随机化
问题：如果大家都用同样的退避时间，可能同时醒来 → 再次冲突。
随机化策略：把等待时间加点随机抖动，例如退避时间 = 基础延迟 + 随机数。
效果：减少同步碰撞，提升协议最终达成的概率。
编号跃迁
现象：一个 Proposer收到更大编号的 Prepare/Promise，说明自己落后。
编号跃迁：它可以直接把自己下一次提案编号调得远远更大（而不是简单 +1），确保下一次不会再次被眼前的竞争者压制。
效果：快速超车，减少多次小幅度冲突。工程里常设计为 <term, proposerId> 形式，保证全局有序。
2. 网络分区 / 少数派可达
现象：无法触达多数派时，协议无法前进，但不会产出冲突决定。
对策：维持 CP 取舍（牺牲部分可用性换一致性），等待多数派恢复再推进。
3. 崩溃与恢复
现象：节点重启若丢失承诺/已接受状态，会破坏历史约束。
对策：Acceptor 必须落盘 promised_n / accepted_n / accepted_value，恢复后严格遵守已承诺语义。
为什么竞争只影响活性而不破坏安全？
1. Paxos 的安全性建立在多数派交集 + 承诺单调 + 值继承三件套上，这些约束与消息时序无关，因此永远成立。
2. 即使多个 Proposer 并发竞争、频繁抢占编号，Acceptor 仍旧遵守承诺后不再接受小编号这一不可回退规则。
3. 新一轮 Proposer 在进入 Phase 2 前必须继承在多数派回复中观测到的最高编号已接受值，因此无法绕过历史去提出相反的值。
4. 由于任意两个多数派集合必有交集，任何已被多数接受过的值都会被后继提案看见，从而被延续而非被覆盖。
5. 于是，并发竞争所造成的只是不断被更大编号打断，表现为延迟变大/无进展（活性受损），但不会产生两个不同的被选定值。
6. 在网络分区或只触达少数派的情况下，协议选择不前进而不是各自决定，因此宁停不乱，安全不失。
7. 崩溃恢复后，Acceptor 通过持久化状态继续履行既有承诺，保证历史不被遗忘，也就不可能因为重启而“选出另一个值”。
什么是多数派（Quorum）
定义：在 N 个 Acceptor 中，每次需要一个法定集合同意才能推进；若法定集合大小取 > N/2，则任意两个法定集合必有交集（至少一个共同成员）
意义：交集节点会把自己已接受过的最高编号值报告给后续 Proposer，使后者必须继承历史值，从而维持一致性。
任意两个多数派集合必有交集，交集的作用是：
假设某个值 v 已经在多数派 A 被接受（chosen 的候选）
后续任何新 Proposer 都必须再从另一个多数派 B收集 Promise
因为 A ∩ B ≠ ∅，所以至少有一个 Acceptor 会记得 v
新 Proposer 必须继承这个历史值 v（规则：继承已接受的最高编号的值）
因此 Paxos 能保证一旦某个值可能被多数派选中，之后所有被选定的值都必须与它一致
为什么后续任何新 Proposer 都必须再从另一个多数派 B收集 Promise？
因为不知道历史上的多数派是哪一组，为了保证能看见那段历史，必须向多数派 B 收集Promise，这样可保证 B 与多数派 A必有交集。
一旦两组都是多数派，就有 A∩B≠∅。交集里的某个 Acceptor 会把自己已接受的最高对 (n_a, v_a) 报告给Proposer ，Proposer 就被迫继承该值，安全性因此成立。
5 句自然语言证明多数派交集不会选出两个不同的值
1. 假设某值 v 已在一个法定集合 Q1内被多数 Acceptor 接受。
2. 之后任何新的 Proposer 想要继续推进，必须从另一个法定集合 Q2收集承诺。
3. 因为法定集合都是多数，故 Q1 与 Q2 必有交集，存在至少一个共同的 Acceptor。
4. 该交集 Acceptor 会按规则报告它已接受过的最高编号值，于是新 Proposer 必须继承该值进入 Phase 2。
5. 因此，任何后来被选定的值都与 v 一致，不可能再选出与 v 不同的第二个值，故多数派交集不会选出两个不同的值。
Paxos vs Raft 异同点
相同点
目标一致：都要实现崩溃容错的复制状态机
依赖条件：需要多数派可用，节点维护持久化元数据（承诺/日志/任期）才能保证崩溃恢复后 Safety。
结果保证：在部分同步网络中，Safety 永远成立，Liveness 在稳定时期成立。
不同点（工程视角）
可理解性
Paxos：抽象层次高，核心论文偏“数学证明”；需要额外补充选主、多槽位日志等细节才能变成可用系统。
Raft：设计目标就是易于理解。明确提出了 Leader-based 流程：任期、心跳、日志匹配、选主、成员变更。
日志与成员变更
Paxos：基本论文只解决单次决议，Multi-Paxos + 工程补丁才形成日志复制；成员变更没有标准化方案。
Raft：把日志复制、任期切换、Joint Consensus（联合共识的配置变更）都标准化为协议的一部分。
实现生态
工业界常见的 Multi-Paxos 实现 ≈ Leader 驱动复制，体验上和 Raft 很像，但实现复杂度高。
Raft 的落地实现有完整生态；Paxos 系统更多是历史遗产或大厂定制。
若从零做复制，为什么可能更偏向 Raft？
因为 Raft 在设计时就把 Leader 选举、日志复制、任期、配置变更全部纳入协议核心，流程直观、易实现、社区支持丰富；对一个新项目来说，可以快速实现一个可维护的高可用系统。相比之下，Paxos 虽然理论完备，但要从论文到工程落地，还需要自己拼接 Multi-Paxos、Leader 选主、重配置等模块，复杂度高。
若接手已有 Paxos 系统，我需要重点关注什么？
必须清楚它是基于 Multi-Paxos 的哪个变体（是否有稳定 Leader、是否支持批量/流水线）；明确 Acceptor 的持久化语义；确认系统是否已经实现了重配置机制（例如 Joint Consensus 或自研方案）；同时要评估其冲突处理和活性优化手段（退避、编号跃迁、Leader 心跳）。只有弄清这些工程化补丁，才能确保 Paxos 系统在实际环境里安全且有足够活性。