淺談 CAP 理論

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本文介紹了介紹了分佈式系統著名的 CAP 理論。什麼是 CAP 理論？爲何說 CAP 只能三選二？瞭解 CAP 對於系統架構又有什麼指導意義？本文將一一做答。

什麼是 CAP 理論

在計算機科學理論，CAP 定理（也稱爲 Brewer 定理），是由計算機科學家 Eric Brewer 提出的，即在分佈式計算機系統不可能同時提供如下所有三個保證：

• 一致性（Consistency）：全部節點同一時間看到是相同的數據；
• 可用性（Availability）：無論是否成功，確保每個請求都能接收到響應；
• 分區容錯性（Partition tolerance）：系統任意分區後，在網絡故障時，仍能操做

爲何說 CAP 只能三選二

下面分別舉例說明了爲何說 CAP 只能三選二。

上面的圖顯示了在一個網絡中，N1 和 N2 兩個節點。他們都共享數據塊 V，其中有一個值 V0 。運行在 N1 的 A 程序能夠認爲是安全的、無 bug、可預測的和可靠的。運行在 N2 是 B 程序。這個例子中，A 將寫入 V 新​值，而 B 從 V 讀取值

系統預期執行下面的操做

1. 首先寫一個 V 的新​值 V1
2. 而後消息（M）從 N1 更新 V 的拷貝到 N2
3. 如今，從 B 讀取將返回 V1

若是網絡是分區的，當 N1 到 N2 的消息不能傳遞時，執行上面的第三步，會出現雖然 N2 能訪問到 V 的值（可用性），但其實與 N1 的 V 的值已經不一致了（一致性）。

CAP 常見模型

犧牲分區（CA 模型）

舉例：

• 單站點數據庫
• 集羣數據庫
• LDAP
• xFS 文件系統

實現方式：

• 兩階段提交
• 緩存驗證協議

犧牲可用性（CP 模型）

舉例：

• 分佈式數據庫
• 分佈式鎖定
• 絕大部分協議

實現方式：

• 悲觀鎖
• 少數分區不可用

犧牲一致性（AP 模型）

舉例：

• Coda
• Web 緩存
• DNS

實現方式：

• 到期/租賃
• 解決衝突
• 樂觀

CAP 的意義

在系統架構時，應該根據具體的業務場景，來權衡 CAP。好比，對於大多數互聯網應用來講（如門戶網站），由於機器數量龐大，部署節點分散，網絡故障是常態，可用性是必須須要保證的，因此只有捨棄一致性來保證服務的 AP。而對於銀行等，須要確保一致性的場景，一般會權衡 CA 和 CP 模型，CA 模型網絡故障時徹底不可用，CP 模型具有部分可用性。

參考引用

• Eric Brewer, "Towards Robust Distributed Systems"
• "Brewer's CAP Theorem", julianbrowne.com, Retrieved 02-Mar-2010