本篇整理了分散式系統中反覆出現的二十種設計模式，這些模式是建構可靠、可擴展系統的基礎元件。

模式分類#

日誌與恢復#

• 預寫式日誌（Write-Ahead Log） — 確保持久性與資料完整性的基礎機制
• 分段日誌（Segmented Log） — 將日誌拆分為小段以利管理
• 高水位標記（High-Water Mark） — 追蹤已安全複製的日誌進度

資料結構與分散式雜湊#

• 布隆過濾器（Bloom Filter） — 以極低空間快速判斷元素是否可能存在
• 一致性雜湊（Consistent Hashing） — 最小化節點變動時的資料遷移
• 梅克爾樹（Merkle Tree） — 高效比對副本間的資料差異

故障偵測#

• 心跳機制（Heartbeat） — 定期發送存活信號以偵測節點故障
• 八卦協定（Gossip Protocol） — 去中心化的叢集狀態傳播機制
• Phi 累積故障偵測（Phi Accrual Failure Detection） — 自適應的故障判定演算法

共識與一致性#

• 法定人數（Quorum） — 確保分散式操作一致性的最低節點數
• 領導者與追隨者（Leader and Follower） — 單一領導者負責協調與複製
• CAP 定理 — 一致性、可用性、分區容錯性的不可能三角
• PACELC 定理 — CAP 的延伸，加入延遲與一致性的取捨

資料完整性與版本控制#

• 校驗和（Checksum） — 偵測資料傳輸或儲存中的損毀
• 向量時鐘（Vector Clocks） — 追蹤分散式系統中的因果關係

租約與資料修復#

• 租約（Lease） — 有時間限制的資源存取權
• 提示移交（Hinted Handoff） — 為故障節點暫存未完成的寫入
• 讀取修復（Read Repair） — 在讀取時修正過時的副本

腦裂與防護#

• 腦裂（Split Brain） — 偵測並處理多個活躍領導者的問題
• 隔離（Fencing） — 防止舊領導者繼續操作造成資料損毀

重點： 這些模式並非孤立存在，而是經常組合使用。例如，預寫式日誌搭配分段日誌與高水位標記，共同構成可靠的資料複製機制。理解模式之間的關聯，是掌握分散式系統設計的關鍵。