CAP 理論

分佈式系統（distributed system）正變得愈來愈重要，大型網站幾乎都是分佈式的。

分佈式系統的最大難點，就是各個節點的狀態如何同步。CAP 定理是這方面的基本定理，也是理解分佈式系統的起點。

本文介紹該定理。它其實很好懂，並且是顯而易見的。下面的內容主要參考了 Michael Whittaker 的文章。

1、分佈式系統的三個指標

1998年，加州大學的計算機科學家 Eric Brewer 提出，分佈式系統有三個指標。

• Consistency
• Availability
• Partition tolerance

它們的第一個字母分別是 C、A、P。

Eric Brewer 說，這三個指標不可能同時作到。這個結論就叫作 CAP 定理。

2、Partition tolerance

先看 Partition tolerance，中文叫作"分區容錯"。

大多數分佈式系統都分佈在多個子網絡。每一個子網絡就叫作一個區（partition）。分區容錯的意思是，區間通訊可能失敗。好比，一臺服務器放在中國，另外一臺服務器放在美國，這就是兩個區，它們之間可能沒法通訊。

上圖中，G1 和 G2 是兩臺跨區的服務器。G1 向 G2 發送一條消息，G2 可能沒法收到。系統設計的時候，必須考慮到這種狀況。

通常來講，分區容錯沒法避免，所以能夠認爲 CAP 的 P 老是成立。CAP 定理告訴咱們，剩下的 C 和 A 沒法同時作到。

3、Consistency

Consistency 中文叫作"一致性"。意思是，寫操做以後的讀操做，必須返回該值。舉例來講，某條記錄是 v0，用戶向 G1 發起一個寫操做，將其改成 v1。

接下來，用戶的讀操做就會獲得 v1。這就叫一致性。

問題是，用戶有可能向 G2 發起讀操做，因爲 G2 的值沒有發生變化，所以返回的是 v0。G1 和 G2 讀操做的結果不一致，這就不知足一致性了。

爲了讓 G2 也能變爲 v1，就要在 G1 寫操做的時候，讓 G1 向 G2 發送一條消息，要求 G2 也改爲 v1。

這樣的話，用戶向 G2 發起讀操做，也能獲得 v1。

4、Availability

Availability 中文叫作"可用性"，意思是隻要收到用戶的請求，服務器就必須給出迴應。

用戶能夠選擇向 G1 或 G2 發起讀操做。不論是哪臺服務器，只要收到請求，就必須告訴用戶，究竟是 v0 仍是 v1，不然就不知足可用性。

5、Consistency 和 Availability 的矛盾

一致性和可用性，爲何不可能同時成立？答案很簡單，由於可能通訊失敗（即出現分區容錯）。

若是保證 G2 的一致性，那麼 G1 必須在寫操做時，鎖定 G2 的讀操做和寫操做。只有數據同步後，才能從新開放讀寫。鎖按期間，G2 不能讀寫，沒有可用性不。

若是保證 G2 的可用性，那麼勢必不能鎖定 G2，因此一致性不成立。

綜上所述，G2 沒法同時作到一致性和可用性。系統設計時只能選擇一個目標。若是追求一致性，那麼沒法保證全部節點的可用性；若是追求全部節點的可用性，那就無法作到一致性。

[更新 2018.7.17]

讀者問，在什麼場合，可用性高於一致性？

舉例來講，發佈一張網頁到 CDN，多個服務器有這張網頁的副本。後來發現一個錯誤，須要更新網頁，這時只能每一個服務器都更新一遍。

通常來講，網頁的更新不是特別強調一致性。短時期內，一些用戶拿到老版本，另外一些用戶拿到新版本，問題不會特別大。固然，全部人最終都會看到新版本。因此，這個場合就是可用性高於一致性。

（完）

參考網址見:http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/07/cap.html