面试题：分布式系统中数据分片迁移与重平衡策略的基础实现

Question

在一个简单的分布式存储系统中，假设采用哈希分片方式，现在需要将部分数据从一个节点迁移到另一个节点以实现负载均衡。请描述数据迁移的基本步骤，以及在迁移过程中如何确保数据的一致性和系统的可用性。

Answer 1

数据迁移基本步骤

1. 确定迁移数据范围：
   • 根据哈希分片规则，计算出需要迁移的键值范围。例如，若采用一致性哈希，确定新节点加入或旧节点负载过高后，对应哈希环上需要调整的区间。
2. 停止写入相关数据：
   • 在源节点和目标节点之间协调，暂时停止对即将迁移数据的写入操作，防止在迁移过程中有新数据写入，影响迁移的准确性。可以通过设置标志位或使用分布式锁等方式实现。
3. 数据复制：
   • 源节点将确定范围内的数据复制到目标节点。这可以通过网络传输，采用批量传输的方式提高效率，减少传输次数。
4. 数据验证：
   • 目标节点接收到数据后，对数据进行验证。例如计算数据的校验和，与源节点传输前的校验和对比，确保数据在传输过程中没有损坏。
5. 更新元数据：
   • 更新系统的元数据，包括哈希表、节点映射关系等，告知系统数据已经迁移到新的节点。这一步确保后续的读写操作能够正确定位到新的存储位置。
6. 恢复写入操作：
   • 在确认数据迁移成功且元数据更新无误后，恢复对这部分数据的正常写入操作。

确保数据一致性

1. 读写锁机制：
   • 在数据迁移开始前，对迁移数据加读锁，防止其他节点对其进行写入操作，确保迁移数据在迁移过程中的一致性。迁移完成后，释放锁并允许正常读写。
2. 版本控制：
   • 为每个数据项添加版本号。在迁移过程中，源节点记录迁移数据的版本号，目标节点接收数据后，验证版本号。如果在迁移过程中有新的写入操作，版本号会更新，目标节点可以发现数据不一致并重新获取最新版本数据。
3. 两阶段提交（2PC）：
   • 第一阶段，源节点准备迁移数据，并向目标节点发送预提交请求。目标节点收到请求后，检查自身资源等是否满足接收条件，若满足则回复确认。第二阶段，源节点收到所有目标节点的确认后，正式开始迁移数据，目标节点接收并完成迁移。若有任何一个节点在第一阶段回复失败，源节点取消迁移操作，确保数据一致性。

确保系统可用性

1. 冗余设计：
   • 系统采用多副本机制，在迁移过程中，其他副本仍然可以提供数据服务，保证系统的读操作不受影响。即使某个节点正在进行数据迁移，其他节点上的副本数据可以继续响应读请求。
2. 渐进式迁移：
   • 采用渐进式迁移数据，而不是一次性迁移大量数据。将数据分成多个小批次进行迁移，每次迁移一小部分数据，这样可以减少对系统性能的影响，在迁移过程中系统仍然可以正常处理其他请求。
3. 故障恢复机制：
   • 在迁移过程中，若源节点或目标节点出现故障，系统能够检测到故障并进行相应的恢复操作。例如，记录迁移进度，在故障节点恢复后，从断点处继续迁移数据，确保迁移过程的完整性，尽量减少对系统可用性的影响。