分佈式理論(一) - CAP定理

前言

CAP原則又稱CAP定理，指的是在一個分佈式系統中，Consistency（一致性）、 Availability（可用性）、Partition tolerance（分區容錯性）這三個基本需求，最多隻能同時知足其中的2個。

正文

1. CAP原則簡介

選項	描述
Consistency（一致性）	指數據在多個副本之間可以保持一致的特性（嚴格的一致性）
Availability（可用性）	指系統提供的服務必須一直處於可用的狀態，每次請求都能獲取到非錯的響應（不保證獲取的數據爲最新數據）
Partition tolerance（分區容錯性）	分佈式系統在遇到任何網絡分區故障的時候，仍然可以對外提供知足一致性和可用性的服務，除非整個網絡環境都發生了故障

什麼是分區？

在分佈式系統中，不一樣的節點分佈在不一樣的子網絡中，因爲一些特殊的緣由，這些子節點之間出現了網絡不通的狀態，但他們的內部子網絡是正常的。從而致使了整個系統的環境被切分紅了若干個孤立的區域，這就是分區。

2. CAP原則論證

如圖所示，是咱們證實CAP的基本場景，網絡中有兩個節點N1和N2，能夠簡單的理解N1和N2分別是兩臺計算機，他們之間網絡能夠連通，N1中有一個應用程序A，和一個數據庫V，N2也有一個應用程序B和一個數據庫V。如今，A和B是分佈式系統的兩個部分，V是分佈式系統的數據存儲的兩個子數據庫。

• 在知足一致性的時候，N1和N2中的數據是同樣的，V0=V0。
• 在知足可用性的時候，用戶不論是請求N1或者N2，都會獲得當即響應。
• 在知足分區容錯性的狀況下，N1和N2有任何一方宕機，或者網絡不通的時候，都不會影響N1和N2彼此之間的正常運做。

如圖所示，這是分佈式系統正常運轉的流程，用戶向N1機器請求數據更新，程序A更新數據庫V0爲V1。分佈式系統將數據進行同步操做M，將V1同步的N2中V0，使得N2中的數據V0也更新爲V1，N2中的數據再響應N2的請求。

根據CAP原則定義，系統的一致性、可用性和分區容錯性細分以下：

• 一致性：N1和N2的數據庫V之間的數據是否徹底同樣。
• 可用性：N1和N2的對外部的請求可否作出正常的響應。
• 分區容錯性：N1和N2之間的網絡是否互通。

這是正常運做的場景，也是理想的場景。做爲一個分佈式系統，它和單機系統的最大區別，就在於網絡。如今假設一種極端狀況，N1和N2之間的網絡斷開了，咱們要支持這種網絡異常。至關於要知足分區容錯性，能不能同時知足一致性和可用性呢？仍是說要對他們進行取捨？

假設在N1和N2之間網絡斷開的時候，有用戶向N1發送數據更新請求，那N1中的數據V0將被更新爲V1。因爲網絡是斷開的，因此分佈式系統同步操做M，因此N2中的數據依舊是V0。這個時候，有用戶向N2發送數據讀取請求，因爲數據尚未進行同步，應用程序沒辦法當即給用戶返回最新的數據V1，怎麼辦呢？

這裏有兩種選擇：

• 第一：犧牲數據一致性，保證可用性。響應舊的數據V0給用戶。
• 第二：犧牲可用性，保證數據一致性。阻塞等待，直到網絡鏈接恢復，數據更新操做M完成以後，再給用戶響應最新的數據V1。

這個過程，證實了要知足分區容錯性的分佈式系統，只能在一致性和可用性二者中，選擇其中一個。

3. CAP原則權衡

經過CAP理論，咱們知道沒法同時知足一致性、可用性和分區容錯性這三個特性，那要捨棄哪一個呢？

3.1. CA without P

若是不要求P（不容許分區），則C（強一致性）和A（可用性）是能夠保證的。但其實分區不是你想不想的問題，而是始終會存在，所以CA的系統更多的是容許分區後各子系統依然保持CA。

3.2. CP without A

若是不要求A（可用），至關於每一個請求都須要在Server之間強一致，而P（分區）會致使同步時間無限延長，如此CP也是能夠保證的。不少傳統的數據庫分佈式事務都屬於這種模式。

3.3. AP wihtout C

要高可用並容許分區，則需放棄一致性。一旦分區發生，節點之間可能會失去聯繫，爲了高可用，每一個節點只能用本地數據提供服務，而這樣會致使全局數據的不一致性。如今衆多的NoSQL都屬於此類。

小結

對於多數大型互聯網應用的場景，主機衆多、部署分散。並且如今的集羣規模愈來愈大，因此節點故障、網絡故障是常態。這種應用通常要保證服務可用性達到N個9，即保證P和A，只有捨棄C（退而求其次保證最終一致性）。雖然某些地方會影響客戶體驗，但沒達到形成用戶流程的嚴重程度。

對於涉及到錢財這樣不能有一絲讓步的場景，C必須保證。網絡發生故障寧肯中止服務，這是保證CA，捨棄P。貌似這幾年國內銀行業發生了不下10起事故，但影響面不大，報到也很少，廣大羣衆知道的少。還有一種是保證CP，捨棄A，例如網絡故障時只讀不寫。

孰優孰劣，沒有定論，只能根據場景定奪，適合的纔是最好的。

相關連接

1. 分佈式理論(一) - CAP定理
2. 分佈式理論(二) - BASE理論
3. 分佈式理論(三) - 2PC協議
4. 分佈式理論(四) - 3PC協議
5. 分佈式理論(五) - 一致性算法Paxos
6. 分佈式理論(六) - 一致性協議Raft

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