2021-2-22：請你說下 CAP 理論並舉例

CAP

CAP 理論是分佈式系統中的一個老生常談的理論了，最先由 Eric Brewer 在一個講座中提出。在這個講座中，在傳統 ACID 理論以及當時比較流行可是比較抽象的的設計指導理論 BASE 理論（當時的 BASE 理論還很抽象，直到好幾年後纔出現一份比較權威的被普遍接受的 BASE 理論完整解釋和設計）的類比中，提出

• C(Consistency，一致性)：在一個分佈式的系統中，同一個數據的全部備份，在同一時刻是否有相同的值。也就是，對於同一個數據的讀寫，是否馬上對於全部副本都能看到一致的結果。一種比較常見的強一致性實現就是，在看到一致的結果以前，寫請求不返回，讀請求阻塞或者超時。
• A(Availability，可用性)：在集羣中一些節點故障時，集羣還能夠響應讀寫請求。
• P(Partition-tolerance，分區容忍性)：分佈式系統具備多個節點，若是節點間網絡中斷，就會形成分區。

而且提出了，CAP 並不能所有知足，而是通常選兩個知足

以後，Seth Gilbert 以及 Nancy Lynch 在一篇 Notes 中，證實了 CAP 並不能同時都知足。而且，將 CAP 定義的更加清晰：

• C: 須要知足原子一致性，也就是任何讀寫都是具備原子性的，也就是對於同一個數據的寫以後的讀取，必定能讀取到寫的值，也就是最新的值
• A：對於全部成功的請求，都須要在有限的時間內返回，也就是成功請求是有效的，可終止的。
• P：可能節點間傳輸丟失一些消息。

CA 系統

也就是不容許分區的系統，也其實就不是分佈式系統，而是單機系統。例如單機數據庫，或者是共享存儲數據庫，好比 Aurora DB 相似的思路設計的數據庫，共享同一份存儲，上面創建不一樣的 MySQL 進程，一個 MySQL 讀寫，其餘的只讀，因爲使用的同一塊存儲，而且只有一個 MySQL 進程寫入，知足 ACID 的事務特性，能保證強一致性，以及可用性。

CP 系統

也就是不要求高可用性，可是要求強一致性的系統，哪怕當前業務不可用，也不能出現數據不一致的狀況。而且，若是節點間傳輸消息丟失致使沒有同步成功，或者重試，或者返回更新失敗，回滾更新請求。

CP 的一種實際應用就是分佈式鎖，通常的，若是沒有獲取到鎖，或者獲取鎖失敗，咱們都會選擇阻塞等待，或者直接失敗，而不會冒着可能會有併發危險而去執行業務。而且，分佈式鎖必須保持全部節點看到的鎖狀態一致，不能有差別，不然認爲獲取鎖失敗。

同時，大部分分佈式數據庫都是 CP 系統，可是他們的一致性協議方案是不一樣的，常見的例如 Paxos，2PC，3PC，RAFT等等。

AP 系統

也就是要求高可用性，可是不用強一致性的系統。在這種狀況下，一旦分區發生，節點間的數據可能不一致，每一個節點用本身的本地數據繼續提供服務。這樣狀況下，可能會出現數據不一致，系統通常會實現最終一致性。也就是在分區結束後，經過一些機制將數據同步。

基本上具備多層緩存的系統，都是 AP 的系統設計。例如 DNS，客戶端緩存，瀏覽器緩存以及進程內緩存等等。

一個 CP 與 AP 系統的對比

一個比較經典的例子就是 Zookeeper 做爲註冊中心和 Eureka 做爲註冊中心。

假設註冊中心有兩個接口，一個是註冊實例，一個是讀取實例。

若是以 Zookeeper 爲註冊中心，對於註冊實例請求也就是更新請求，採用的是過半寫以及 2 PC 的同步機制。

只有過半 2PC 更新成功，這個註冊請求才成功，這樣讀取每一個節點都會讀取到這個更新請求，不然會回滾已經更新的節點。而且每一個節點數據是一致的。若是過半的節點不可用，那麼整個集羣都不能處理註冊實例請求以及讀取實例的請求。這樣保證的強一致性，可是可用性是打了折扣的。

若是以 Eureka 爲註冊中心，註冊請求發到一個 Eureka 實例上以後，這個 Eureka 會轉發到集羣內其餘 Eureka 節點。

即便某些節點失敗，也不會將已經更新的回滾。而且不管集羣內哪些 Eureka 掛了，也不會影響其餘正常的 Eureka 繼續服務工做，雖然可能讀取到比較老的數據，以及有一些數據不一致。

目前的 CAP 理論

隨着技術的不斷髮展以及理論的不斷完善，咱們發現，分區並非會常常出現的狀況，大部分狀況下，若是咱們忽略 P ，其實就是能夠實現 CA 共存的狀況。若是分區是能夠感知的，納悶咱們能夠提早制定響應策略，例如進入服務降級限制某些操做，經過恢復補償邏輯修正數據不一致。

在 CAP 基礎上演變的 PACELC 理論，就是針對這種狀況的更爲實際的指導意見。在出現分區的狀況下，取前半部分，其實仍是 CAP 理論。若是不出現分區的狀況，也就是大部分的狀況下，咱們考慮 L（Latency，延遲） 與 C（Consistency 一致性）的權衡。

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