前言

目前網(wǎng)絡(luò)上介紹CAP理論及BASE理論的文章已經(jīng)很多了，但很多文章內(nèi)容都在重復(fù)，而且并不嚴(yán)謹(jǐn)。比如分布式系統(tǒng)一定要具備分區(qū)容忍性P，真的是這樣嗎，我們就不能夠選擇CA嗎？
本文將先介紹CAP理論及BASE理論的基本概念，然后總結(jié)下本文并談?wù)勛约簩?duì)分布式系統(tǒng)理論的思考。希望閱讀本文能夠?qū)Υ蠹矣兴鶐椭?/p>

CAP理論

分布式系統(tǒng)的CAP理論是由Eric Brewer于1999年首先提出的，CAP是對(duì)Consistency（一致性）、Availability（可用性）、Partition tolerance（分區(qū)容忍性）的一種簡稱，如下圖所示：

分布式系統(tǒng)的CAP理論

具體含義如下：

• 一致性（C）：指強(qiáng)一致性，在分布式系統(tǒng)中的同一數(shù)據(jù)有多個(gè)副本的情形下，對(duì)于數(shù)據(jù)的更新操作體現(xiàn)出的效果與只有單份數(shù)據(jù)是一樣的。要求數(shù)據(jù)被一致地更新，所有數(shù)據(jù)變動(dòng)都是同步的。

• 可用性（A）：客戶端在任何時(shí)刻對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)系統(tǒng)的讀/寫操作都應(yīng)該保證在限定延時(shí)內(nèi)完成。即系統(tǒng)在面對(duì)各種異常時(shí)，依然可以響應(yīng)客戶端的讀/寫請(qǐng)求并提供正常服務(wù)。

• 分區(qū)容忍性（P）：以實(shí)際效果而言，分區(qū)相當(dāng)于對(duì)通信的時(shí)限要求。系統(tǒng)如果不能在時(shí)限內(nèi)達(dá)成數(shù)據(jù)一致性，就意味著發(fā)生了分區(qū)的情況（分布式系統(tǒng)一定會(huì)發(fā)生分區(qū)的情況的，因?yàn)榇嬖诰W(wǎng)絡(luò)中斷、消息丟失等網(wǎng)絡(luò)問題）。分區(qū)容忍性即指在網(wǎng)絡(luò)中斷、消息丟失的情況下，系統(tǒng)照樣能夠工作。
  Eric Brewer在提出CAP概念的同時(shí)，也證明了CAP定理：任何分布式系統(tǒng)在可用性、一致性、分區(qū)容忍性方面，不可能同時(shí)被滿足，最多只能得其二。該定理也被稱作布魯爾定理（Brewer's theorem）。任何分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只是在C、A、P三者中的不同取舍而已，要么AP，要么CP，要么AC，但是不存在CAP同時(shí)存在的情況，這就是CAP定理的精髓所在。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，運(yùn)行環(huán)境出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)/分割一般是不可避免的，所以分布式系統(tǒng)一般必須具備分區(qū)容忍性P。因此，在設(shè)計(jì)分布式系統(tǒng)時(shí)，架構(gòu)師一般在C和A之間進(jìn)行權(quán)衡和選擇，即要么CP，要么AP。當(dāng)然，如果系統(tǒng)要求為強(qiáng)事務(wù)型，比如面向網(wǎng)上支付等金融交易，我們也可以選擇CA，支付寶的OceanBase就是如此。
  為了進(jìn)一步理解CAP定理，我們來看一個(gè)簡單的例子：假定在分布式系統(tǒng)中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)m1和m2，分別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)a的副本，作用在m1上的更新操作將數(shù)據(jù)a從v1更新成v2。該系統(tǒng)具備分區(qū)容忍性P，假定現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)生了故障，m1和m2之間的網(wǎng)絡(luò)斷開了，考慮以下兩種情況：

• 情況一：若要保證一致性C，則要求數(shù)據(jù)a的所有副本必須一致，即保證m2上的數(shù)據(jù)a也被更新為v2而與m1同步。而此時(shí)由于發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障，m1與m2無法進(jìn)行通信，進(jìn)而無法將數(shù)據(jù)a同步到一致狀態(tài)。這樣，對(duì)于m2上數(shù)據(jù)a的讀請(qǐng)求必然要被拒絕，因此無法保證系統(tǒng)的可用性A。此種情況下，我們選擇了CAP中的CP而放棄了A，如下圖所示：

  
  
  系統(tǒng)選擇CP的情況

• 情況二：若要保證可用性A，那么對(duì)于m2上數(shù)據(jù)a的讀請(qǐng)求必須在限定時(shí)間內(nèi)返回。在網(wǎng)絡(luò)故障尚未解決之前，m1和m2無法進(jìn)行通信，此時(shí)m2返回的a指為v1，而并非是當(dāng)前數(shù)據(jù)a的最新狀態(tài)v2，即出現(xiàn)了數(shù)據(jù)的不一致狀態(tài)，因此無法保證系統(tǒng)的一致性C。此種情況下，我們選擇了CAP中的AP而放棄了C，如下圖所示：

  
  
  系統(tǒng)選擇AP的情況
  
  

  但是，如果我們的系統(tǒng)是強(qiáng)事務(wù)型，即實(shí)現(xiàn)了CA，那又是什么情況呢？

• 情況三：如果系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是CA，答案很簡單，因?yàn)橄到y(tǒng)放棄了P，所以當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，將數(shù)據(jù)a從v1更新成v2的操作根本就不會(huì)成功（這里回顧一下分區(qū)容忍性的概念，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生分區(qū)時(shí)，系統(tǒng)依然可用，我們這里放棄了P，所以更新操作將不會(huì)成功），所以在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CA的情況下，數(shù)據(jù)a將還是v1，系統(tǒng)依然是一致地、可用的，因?yàn)槟阕x操作還能給你正確返回，如下圖所示：

  
  
  系統(tǒng)選擇CA的情況

綜上可知，對(duì)于一個(gè)分布式系統(tǒng)來說，C、A、P三者不可兼得。

BASE理論

對(duì)于很多互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，對(duì)一致性的要求可以降低，而可用性的要求則更為重要，從而產(chǎn)生了弱一致性的BASE理論。BASE理論是基于CAP理論逐步演化而來的，其核心思想是即使不能達(dá)到強(qiáng)一致性，也可以根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)采用適當(dāng)?shù)姆椒▉磉_(dá)到最終一致性的效果。BASE是Basically Available（基本可用）、Soft state（軟狀態(tài)/柔性狀態(tài)）、Eventually consistent（最終一致性）三個(gè)詞組的簡寫，是對(duì)CAP中C和A的延伸。

BASE理論的含義如下：

• 基本可用：在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處于可用狀態(tài)，允許偶爾的失敗。
• 軟狀態(tài)/柔性狀態(tài)：數(shù)據(jù)狀態(tài)不要求在任意時(shí)刻都完全保持同步，即狀態(tài)可以有一段時(shí)間不同步。
• 最終一致性：與強(qiáng)一致性相比，最終一致性是一種弱一致性。盡管軟狀態(tài)不要求任意時(shí)刻數(shù)據(jù)保持一致同步，但是最終一致性要求在給定時(shí)間窗口內(nèi)數(shù)據(jù)會(huì)達(dá)到一致狀態(tài)。

以上就是BASE理論的基本概念，可見BASE理論強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)的高可用，允許系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)存在數(shù)據(jù)不一致，但在給定的時(shí)間窗口內(nèi)，系統(tǒng)最終一定是要達(dá)到一致狀態(tài)的。

總結(jié)及思考

系統(tǒng)從集中式發(fā)展到分布式，一部分原因在于單機(jī)無法滿足日益龐大的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理，而引入分布式后，我們又不得不面對(duì)分布式系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)問題。
分布式系統(tǒng)CAP理論及BASE理論可以說是分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基石，這些基本理論對(duì)于深入理解分布式環(huán)境下技術(shù)方案設(shè)計(jì)選型具有重要的指導(dǎo)作用。而其中BASE理論也可以說是對(duì)CAP理論的一種擴(kuò)展，通過系統(tǒng)的軟狀態(tài)，最終一致性的特點(diǎn)，婉轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)了CAP三者的結(jié)合。
最后，對(duì)于我們大多數(shù)人來講可能并沒有機(jī)會(huì)參與到分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，但了解分布式系統(tǒng)理論也能夠幫助我們更好的理解分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，能夠幫助我們更好的選擇與使用分布式系統(tǒng)的產(chǎn)品。
如果文章對(duì)你有幫助，歡迎點(diǎn)贊及打賞，如有不足，也歡迎指正。

近期讀了Eric Brewer教授關(guān)于CAP理論在當(dāng)前技術(shù)體系下的新思考，對(duì)分布式系統(tǒng)下的相關(guān)理論又有了更深的思考，文章的核心思想應(yīng)該是將CAP 實(shí)踐應(yīng)針對(duì)具體的應(yīng)用，在合理范圍內(nèi)最大化數(shù)據(jù)一致性和可用性的‘合力’，通過規(guī)劃分區(qū)期間的操作和分區(qū)之后的恢復(fù)來使CAP三者之間達(dá)到一定的平衡。
最后附上文章鏈接：https://www.infoq.cn/article/cap-twelve-years-later-how-the-rules-have-changed。

寫在最后

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