分布式系統(tǒng)中的故障不可避免：網(wǎng)絡(luò)分區(qū)、超時和間歇性連接問題都可能導(dǎo)致故障。當這些故障發(fā)生時，可能會導(dǎo)致延遲、事務(wù)不完整或數(shù)據(jù)狀態(tài)不一致，最終影響用戶體驗和系統(tǒng)可靠性。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，客戶端通常會重試請求，以確保操作能夠成功完成。

然而，如果沒有適當?shù)奶幚頇C制，重試可能會導(dǎo)致意外后果，例如重復(fù)事務(wù)、數(shù)據(jù)損壞或狀態(tài)不一致。在系統(tǒng)或API中實現(xiàn)冪等性，可以確保在這些故障之后的重試能夠可靠地處理，從而維護系統(tǒng)的完整性和一致性。

什么是冪等性？

冪等性是一種操作特性，它保證無論執(zhí)行多少次，結(jié)果都相同。換句話說，多次執(zhí)行該操作不會改變首次成功執(zhí)行后的結(jié)果。

舉個例子：假設(shè)客戶端通過調(diào)用服務(wù)來更新一筆交易，服務(wù)會更新其數(shù)據(jù)庫以將交易標記為已完成。然而，在服務(wù)向客戶端返回成功響應(yīng)時，發(fā)生了臨時的網(wǎng)絡(luò)故障，導(dǎo)致客戶端無法收到成功消息。因此，客戶端不知道請求是否已成功處理，于是再次重試請求。

如果沒有冪等性，第二次請求可能會再次更新交易，從而導(dǎo)致意外的副作用。而當實現(xiàn)了冪等性時，系統(tǒng)會識別第二次調(diào)用為重復(fù)請求，并確保數(shù)據(jù)庫保持不變，防止重復(fù)更新。

何時需要系統(tǒng)具備冪等性？

是否需要冪等性取決于具體的應(yīng)用場景，主要適用于寫操作。

讀操作無需進行冪等性檢查，因為它們本身就具有冪等性。由于讀操作不會改變系統(tǒng)狀態(tài)，只要底層數(shù)據(jù)保持不變，多次執(zhí)行讀操作的結(jié)果將始終相同。

并非所有寫操作都需要冪等性。判斷是否需要冪等性的一個關(guān)鍵原則是，評估操作是否基于輸入進行計算并改變系統(tǒng)狀態(tài)。

例如，一個簡單地將輸入直接存儲到數(shù)據(jù)庫中的寫操作無需冪等性，因為使用相同的輸入重復(fù)調(diào)用只會覆蓋數(shù)據(jù)，而不會導(dǎo)致不一致（例如，將一個數(shù)字設(shè)置為X）。然而，一個修改現(xiàn)有狀態(tài)的寫操作（例如，將一個數(shù)字增加X）則需要冪等性，以確保一致性。

實現(xiàn)冪等性的機制

在分布式系統(tǒng)中，實現(xiàn)冪等性有多種方法。以下是一些常用的技術(shù)：

1. 唯一鍵

實現(xiàn)冪等性的最常見方法是為每個請求分配唯一標識符。這種方法可以確保檢測并適當處理重復(fù)請求。

請求處理的一般流程：

1. 從請求中提取唯一標識符。
2. 檢查是否已經(jīng)處理過具有相同標識符的請求。
3. 如果沒有（首次請求）：處理請求，將結(jié)果連同唯一標識符一起持久化，并返回結(jié)果。
4. 如果有（重復(fù)請求）：檢索之前存儲的結(jié)果并返回，可選擇性地表明請求已被處理。

如果請求中未提供唯一標識符，系統(tǒng)可以通過計算所有輸入?yún)?shù)的哈希值并將其用作標識符來生成一個。但API文檔必須明確說明這一方法，以確?？蛻舳瞬辉谡埱笾邪勺冏侄?，例如當前時間戳。否則，重試時可能會生成不同的標識符，從而失去冪等性的意義。

2. 樂觀鎖

樂觀鎖是一種在數(shù)據(jù)庫和分布式系統(tǒng)中用于處理對同一數(shù)據(jù)的并發(fā)更新的并發(fā)控制機制，同時盡量減少沖突。它也可以用來實現(xiàn)冪等性，采用“先讀后寫”的方式。

請求處理的一般流程：

1. 客戶端從服務(wù)器讀取一個值及其版本號，假設(shè)為x。
2. 客戶端發(fā)送更新請求，包含之前讀取的版本號（x）。
3. 服務(wù)器檢查客戶端請求中的版本號是否與數(shù)據(jù)庫中的當前版本匹配。
4. 如果匹配：服務(wù)器處理請求，并將版本號遞增（x → x+1）。
5. 如果不匹配：請求被拒絕。版本號不匹配意味著數(shù)據(jù)已被更新，可能是由于重復(fù)請求或其他系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的修改。
6. 如果請求被拒絕，客戶端必須獲取最新的值及其更新后的版本號，并根據(jù)新的版本和值決定是否重試。

這種方法確保重復(fù)或過時的請求不會覆蓋最新數(shù)據(jù)，從而保持一致性并防止意外修改。

實現(xiàn)冪等性的挑戰(zhàn)

雖然冪等性至關(guān)重要，但其實現(xiàn)可能會引入復(fù)雜性，包括：

1. 狀態(tài)管理：維護唯一鍵或版本號會增加系統(tǒng)的開銷，并需要高效的存儲和檢索機制。
2. 處理副作用：某些操作會觸發(fā)副作用（例如發(fā)送郵件、觸發(fā)通知）。確保這些操作不會重復(fù)發(fā)生需要額外的保障措施。
3. 分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)一致性：如果多個服務(wù)參與一個操作，那么在它們之間協(xié)調(diào)冪等性會變得更具挑戰(zhàn)性。

結(jié)論

理想的冪等性系統(tǒng)是不需要冪等性的系統(tǒng)——例如無狀態(tài)操作，其輸出始終直接由輸入決定。然而，在現(xiàn)實應(yīng)用中，并非所有系統(tǒng)都能做到無狀態(tài)。例如，銀行系統(tǒng)在進行存款或取款等更新操作之前，必須先讀取當前賬戶余額。在這種情況下，實現(xiàn)冪等性對于維護一致的系統(tǒng)狀態(tài)、防止意外副作用以及通過避免重復(fù)交易或數(shù)據(jù)損壞來確保無縫的用戶體驗至關(guān)重要。

通過使用唯一鍵和樂觀鎖等技術(shù)，開發(fā)人員可以在權(quán)衡利弊的情況下確保冪等性。唯一鍵需要額外的存儲和請求跟蹤，樂觀鎖可能會在高并發(fā)環(huán)境中導(dǎo)致更高的拒絕率，而請求去重則依賴于維護日志，這可能會引入額外的開銷。

了解這些挑戰(zhàn)有助于為特定系統(tǒng)選擇合適的方法，使開發(fā)人員能夠構(gòu)建能夠抵抗故障的系統(tǒng)，有效處理重試，并在分布式環(huán)境中維護數(shù)據(jù)完整性。

原文標題：Idempotency in Distributed Systems: When and Why It Matters，作者：Sandeep Kumar Gond