游戏服务器中常见的数据一致性问题分析

什么是一致性问题

在游戏服务器的开发中，我们经常会碰到所谓“一致性”问题，以及碰到各种为了解决这种问题所做的“方案”，那么，什么是一致性问题呢？其实非常简单，就是有两个客户端进程，都需要修改同一个数据，造成的问题。

譬如服务器上有一个怪物，玩家 A 释放了一个火球，根据业务逻辑，火球会扣减 10% 的最大 HP 值作为伤害；玩家 B 对怪物砍了一刀，扣减怪物的 HP 需要计算玩家 B 的攻击力和怪物的防御力。那么一般我们编写程序的时候，就会先从“怪物”和“玩家”读取其数值，包括“攻击力”，“最大 HP”，“防御力”，“现存 HP”这些数据，然后根据“火球术”和“刀砍”进行伤害计算，然后算出怪物遭受的伤害，以及受伤后应该剩下多少 HP。按上面的方法，就会有包含了 2 次“读”数据和“写”数据的过程。

如果这两次“先读后写”的操作，在并行的两个线程中执行，那么就会出现所谓“一致性问题”：先读了同一份数据，导致最终的操作互相覆盖了。下图是一个“增加数值”的一致性问题的描述，“203”是需要修改的数据的名字，这个数据的值一开始 100，又叫 key，A 进程试图进行的是“增加 10”这个操作，B 进程试图进行的是“增加 20”这个操作，但是如果同时执行，可能结果会是 110，或者是 120，但正确的结果应该是 130。

以上的问题，在一个进程内的多个线程中可能出现，在一个集群中的多个互相通信的进程也可能出现。为了解决以上的问题，人们想了很多方法，但是大多数可以分为两类：

悲观锁
乐观锁

下面具体说说这两类思路的实际常见的表现形式。

悲观锁

多线程同步锁

在 Java 语言中，有一个关键字叫 synchronized ，这个关键字可以加用括号来表示“锁”住的对象。下面的写法，表示执行下面 { ... } 的代码块时，必须尝试获得 obj 对象的“锁”，如果其他线程正在使用 obj 对象这个锁，则必须等待。

synchronized(obj) {int hp = obj.GetHp();hp += 10;obj.SetHp(hp);
}

对于 Java 来说，直接拿任何一个“对象”作为“锁”的标记都可以。这种做法，实际上是让多个线程，在执行某些代码的时候，“依次排队”执行，以避免“一致性问题”。在 Linux C 的 pthread 库里面，同样也有类似的 API 实现锁，都是针对多线程处理的。

异步模型

后来出现了以 Epoll 为代表的异步编程方式，这对于主要是网络 IO 造成阻塞的游戏服务器开发，带来了新的解决“一致性问题”的手段。由于不需要为每个 TCP 连接开一个线程，所以可以整个服务器就一个线程，依次处理每个到达服务器的网络数据请求。在这种编程模式下，由于来源的数据请求，本身就被 epoll 的处理方式，转换成一种“依次排队”的执行方式了，所以可以说是天然的上了一个锁，所有的需要并行处理的逻辑，都自动变成了串行处理。

元语

有一些团队，会喜欢使用 Redis 来处理一致性问题。尽管 Redis 自己也是单线程异步模式运行的，但如果仅仅使用其 get 和 set 命令，还是会造成同样的一致性问题。幸好 Redis 有一系列的“数据类型”，譬如：

List 这个类型，就提供了 lpush 这个命令作为“插入队列”，这个命令本身，就是一种需要“先读后写”的任务，因为需要先读取队列的“头/尾”，然后写入数据。
Zset 这个类型，提供的带排序功能的插入 zadd 命令，会先读数值，然后按写入位置，也是一种“先读后写”的操作。

这种处理方式，又可以被称为一种叫“元语”的方式。也就是说，把需要读写的多个操作，打包成一个命令来执行。如前文所说的“增加10”，“增加20”的操作，就可以设计成“+=”这样的一种元语。由于最终执行命令的程序，是一个单线程的模式，所以元语们，也被“依次排队”的执行了。

游戏服务器处理

在游戏服务器领域，这个方法更是一种“基本模型”：

我们会把游戏运行时所需要的数据，设计成存放在一个个游戏服务器进程的内存里
我们会设计很多所谓“ SS 协议”，也就是服务器进程之间的协议，每个 SS 协议，都是一种“元语”，这种协议的处理过程，往往都带有很复杂的，对数据的读写运算
当有业务逻辑需要处理的时候，我们把处理命令，以 SS 协议的方式，发送到“数据所在的进程”
数据所在进程，以单线程的方式，“依次排队”的处理所有的 SS 协议，实现了避免一致性问题

队列处理

有一些业务系统，会使用“消息队列”这种中间件，让处理的请求，天然的就以“队列”这种形态存在，这样以单线程“依次排队”消费队列里的消息，就会非常的自然。类似的消息队列中间件，在开源产品里也有很多，譬如 ActiveMQ，kafaka 等等。

在对数据持久化的情况下，为了同样的一致性问题，很多开发者也会专门编写一个类似 MySQL Proxy 之类的独立进程，专门把数据持久化操作，以队列的形式“依次排队”处理，尽管这样往往需要一些额外的开发，为逻辑上认定不会互相影响的数据，建立多个处理队列，以避免由于等待一个存储连接，导致严重的性能下降。实际上，在 MySQL 内部，也会有防止多个 SQL （在不同连接上）进行并发修改，而设计的“锁”，如古老的 MyISAM 表结构就是“表锁”，新的 InnoDB 表结构是“行锁”

总结

悲观锁的本质就是队列，也就是“依次排队”执行，不管这个队列，是由于多线程同步锁形成，还是异步 IO 系统内部实现的，还是专门设计的队列处理流程，都是一样的思想。

由于需要排队执行，所以如果没有认真规划那些一定要排队的操作，很容易造成性能的浪费，譬如多个线程在等一个锁，多个进程在等一个队列处理。而且，对于“队列”本身的处理，也会耗费额外的通信和协调的资源。异步编程模型，就是要求程序员，必须很清楚那些可能存在“等待”的操作，然后用回调或者事件查询的方式，来手工编程的切分开，但是这样也对程序员提出了更高的要求，毕竟每个函数、方法的调用，都必须知道这个调用是否会堵塞。

对于使用原语的系统，用什么方式定义原语是一个重要的问题，如 redis，天然提供了依附于某些数据结构的原语，但如果这些命令还满足的不了需求，就需要提供一种手段，让使用者自己定义这些原语，于是 redis 就开始支持 lua 脚本，编写自定义的命令。而对于游戏服务器开发，开发者们天天都在编写这种原语，其处理代码和业务逻辑本身就是一份代码。

乐观锁

乐观锁的基本处理方法，就是给每一次的读、写操作，都带上一个额外的数据：版本号。这个版本号，代表着数据被修改的次数。这样就能辨识出在某次写操作之前，此数据是否已经被其他线程/进程修改过。

这种处理方案，在每次写入操作的时候，会返回“是否成功”的结果，需要业务逻辑处理。一般来说，如果发生写入错误，就需要重新再读取数据，然后再处理后写入。这个“重试”的过程一般来说不复杂，但是，如果在特别频繁变化的数据上，这种“重试”多次都有可能会失败。幸好游戏服务一般都是“有损服务”，对于很多数据，是容忍一定程度上的失败和丢失的。

由于乐观锁提供了一种“通用”的一致性问题解决方案，所以特别适合在某些数据库、缓存中间件提供。但是缺点也很明显，就是需要使用者清醒的认识到，每一次写入都可能失败，需要预备失败的处理。对于特别复杂的逻辑来说，可能存在上百个需要修改的数据，编写这样的代码就会特别费劲。所以乐观锁也不应该用在“所有”的数据和处理逻辑上。

大部分的开发者，都还是比较倾向，对大多数比较方便进行分割的数据，分别存放在不同的进程上，然后用以“悲观锁”的策略进行处理。而对于不变分割的数据，采用乐观锁的策略进行处理。

远程对象系统

悲观锁在开发上的表现形式有很多种，但是基本上都离不开需要锁的“数据”和操作数据的“方法”，这和面向对象概念中的“对象”，“方法”不谋而合。正如 Java 语言，可以使用以下方式对方法加锁，表示任何一个线程，在对一个 Cat 类对象的 Eat() 方法调用时，都必须“锁”住此对象，以便多个线程对此方法的调用，保证是“依次排队”处理的：

class Cat {private int hp_ = 100;public Player() {}synchronized public void Eat(int eng) {hp_ += eng;}
}

其实任何游戏服务器中的对象，都可以类似的形式进行加锁——如果我们的处理逻辑是单线程的，那么所有的“方法”都会是“依次排队”执行的。如果我们能自动把 SS 协议原语，映射到特定对象的方法上，那么就可以非常自然的把悲观锁实现成“对远程对象的方法调用”这种形态了。

尽管上述方法，用“对象的方法”包装了悲观锁的概念，但是如果需要修改的数据无法被定位在一个进程内，那么可能需要使用乐观锁的概念，来实现另外一种更通用的数据修改方法。同样，我们可以采用“对象”的模型来包装：getter/setter——对于对象属性的存取器方法。我们可以让所有的存取器的都自动的带上“乐观锁”的特性，让远程方法自动处理。

基于乐观锁的设计，对于 setter 方法的调用，就有可能返回错误，然后需要业务逻辑自己处理。如此，我们就可以通过一种编程模型，统一乐观锁和悲观锁两种数据一致性问题处理方法：

定义一般的远程方法，会以悲观锁的方式执行
定义特殊的属性存储器，以乐观锁的方式执行

最后的问题，就是如何实现一个“远程对象的方法调用”，这里给出几个需要重点处理的问题：

远程对象如何在集群中（一批进程）中表示。这种表示方式也是远程调用的地址。我们可以通过一个 32/64 位的整数来表达，也可以通过设计某种容量更大的数据结构。这个地址都需要集群系统懂得如何快速的路由到对应的进程上。
远程对象的建立和销毁应该如何处置。
1. 一种方法是先定义一个“远程函数”的系统，先通过服务器进程 ID 的表达，然后通过这种远程函数进行对象建立/销毁。
2. 另外一种方法，是预先以某种配置方式，自动建立对象。任何一个客户端进程，都可以向集群任何节点发起“建立对象”的请求，然后集群自动根据预定义规则建立对象，返回对象 ID （也是访问地址）给调用者。