分布式 CAP 定理的前世今生
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了分布式 CAP 定理的前世今生相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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CAP 理论在互联网界有着广泛的知名度，知识稍微宽泛一点的工程师都会把其作为衡量系统设计的准则。大家都非常清楚地理解了 CAP 定理：任何分布式系统在一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容错性（Partition tolerance）这三个方面不能兼得，最多只能得其二。因此，任何分布式系统的设计只是在三者中的不同取舍而已。 事实上，让人吃惊的是 CAP 在国外的影响力完全不如所想，相反还伴随着诸多的争论。下面我们系统地阐述一下 CAP 的来龙去脉。
1.CAP 的历史
1985 年，三位学者 Fischer、Lynch 和 Paterson 共同证明了异步通信中不存在任何一致性的分布式算法，该结论被称之为 FLP Impossibility（FLP 是三位作者名字的首字母缩写）。基于此，人们开始寻找分布式系统设计的各种因素。一致性算法既然不存在，但若能找到一些设计因素，并进行适当的取舍以最大限度满足系统需求成为当时的重要议题。比如，在 CAP 之前研究者就已经发现低延迟和顺序一致性不可能同时被满足。
2000 年，Eric Brewer 教授在分布式计算原理研讨会（PODC）的研讨会上提出了一个猜想：一致性、可用性和分区容错性三者无法在分布式系统中被同时满足，并且最多只能满足其中两个！
这个猜想首次把一致性、可用性和分区容错三个因素提炼出来作为系统设计的重要特征，断言用此三者可以划分所有的分布式系统，并指明这三个特征之间的不可能性关系。Brewer 猜想比单纯的“低延迟和顺序一致性不能被同时满足”的结论更具体，对实际系统的构建也更具可操作性。
Brewer 教授当时想象的分布式场景是 webservice，一组 websevrice 后台运行着众多的 server，对 service 的读写会反应到后台的 server 集群，并对 CAP 进行了定义：
- C（Consistency：一致性）：所有的节点上的数据时刻保持同步。
这里的一致性指的是强一致性，也就是数据更新完，访问任何节点看到的数据完全一致，要和弱一致性，最终一致性区分开来。
- A（Availability：可用性）：每个请求都能接收到一个响应，无论响应成功或失败
这里的可用行还包括不能出现延迟，比如如果节点B由于等待数据同步而阻塞请求，那么节点B就不满足高可用性。也就是说，任何没有发生故障的服务必须在有限的时间内返回合理的结果集。
- P（Partiton tolerence：分区容错）：系统应该能持续提供服务，即使系统内部有消息丢失（分区）
这里的分区是指网络意义上的分区。由于网络是不可靠的，所有节点之间很可能出现无法通讯的情况，在节点不能通信时，要保证系统可以继续正常服务
高可用、数据一致是很多系统设计的目标，但是分区又是不可避免的事情：
- CA without P：如果不要求P（不允许分区），则C（强一致性）和A（可用性）是可以保证的。但其实分区不是你想不想的问题，而是始终会存在，因此CA的系统更多的是允许分区后各子系统依然保持CA。
- CP without A：如果不要求A（可用），相当于每个请求都需要在Server之间强一致，而P（分区）会导致同步时间无限延长，如此CP也是可以保证的。很多传统的数据库分布式事务都属于这种模式。
- AP wihtout C：要高可用并允许分区，则需放弃一致性。一旦分区发生，节点之间可能会失去联系，为了高可用，每个节点只能用本地数据提供服务，而这样会导致全局数据的不一致性。现在众多的NoSQL都属于此类。
CAP 的出现仿佛是一盏明灯，它揭露了分布式系统的本质，并给出了设计的准则，而这正是1985年以来人们正在寻找的东西。所以 CAP 在当时的影响力是非常大的！
2.CAP 被上升为定理
2002 年，Lynch 与其他人证明了 Brewer 猜想，从而把 CAP 上升为一个定理。但是，她只是证明了 CAP 三者不可能同时满足，并没有证明任意二者都可满足，所以，该证明被认为是一个收窄的结果。
Lynch 的证明相对比较简单：采用反正法，如果三者可同时满足，则因为允许 P 的存在，一定存在 Server 之间的丢包，如此则不能保证 C，证明简洁而严谨。
在该证明中，对 CAP 的定义进行了更明确的声明：
- C：一致性被称为原子对象，任何的读写都应该看起来是“原子“的，或串行的。写后面的读一定能读到前面写的内容。所有的读写请求都好像被全局排序
- A：对任何非失败节点都应该在有限时间内给出请求的回应。（请求的可终止性）
- P：允许节点之间丢失任意多的消息，当网络分区发生时，节点之间的消息可能会完全丢失
该定义比 Brewer 提出的概念清晰了很多，也显得更加正式化！
3.前所未有的质疑
当国内工程师对 CAP 痴迷的时候，国外的工程师和研究者对 CAP 提出了各种质疑，纷纷有用反例证明着 CAP 在各种场合不适用性，同时挑战着 Lynch 的证明结果！
纵观这些质疑，基本都是拿着一个非常具体的系统，用CAP的理论去套，最后发现要么CAP不能Cover所有的场景，要么是CAP的定义非常模糊，导致自相矛盾！一句话，把 CAP 接地气是非常困难的！
你是否看了 CAP 的概念定义后还是感觉很模糊？如果是，你并不孤独，有很多人都是如此！
CAP 没有考虑不同的基础架构、不同的应用场景、不同的网络基础和用户需求，而 C、A、P 在这些不同场景中的含义可能完全不同，这种无视差异化的定义导致了非常大的概念模糊，同时也变成 CAP 被质疑的源头！
3.1 质疑 1：概念混乱，废话一堆，不能作为定理
在论文 Deconstructing the `CAP theorem’ for CM and DevOps 中，作者对 CAP 发起了强烈的挑战，强烈谴责了 CAP 模糊不一致的概念：
- 在 CA 中的 C 代表的是本地一致性；CP 中的 C 代表的是全局一致性，AP 中直接没有 C；这些 C 的含义在不同的场景根本就不同。终端- - 用户 agent 该不该引入到 CAP 中？CAP 到底是说一个 agent 的多次更新，还是多个用户的一次更新？没有 agent 参与的系统谈什么一致性？
- 如果分区发生在系统内部（水平分区），对 agent 而已并没有影响；若分区发生在 agent 与系统间（垂直分区），这种情况对 DNS 系统架构的可用性根本没有任何影响；但对银行事务架构却有巨大影响。也就是说，可用性、分区容错，是两个相关切无法独立切分的概念。
一句话：CAP 说了一些永远不存在的废话！作为一个严格的数学定理，一定要概念清晰并且可自证明，CAP 显然不具备这个条件，并声称“绝不承认其为一个定理”！
论文作者对相对论有相当的理解，从相对论来看，每个节点都只知道自己的结果，永远无法得知其他节点的情况，系统整体是否一致我怎么会知道？
并且作者对一致性、可用性归结为一个非常深刻的见解：一切都是时间视图！多长时间返回结果算可用？多长时间返回认为不可用？多长时间数据同步算一致？因此，一切的本质是时间！
根据时间特性和相对论，作者提出了一个独创的 promise 系统模型，每个节点都对自己的行为在有限时间内进行承诺，其他节点根据这个承诺和自己的状态决定本地如何处理。
作者还上传了自己的笔记拍照，我大体看了下，基本上是构建了一个基于时间同步的有限状态机。实际上 Lynch 早就证明，在同步环境下一致性是可以达到的！
3.2 质疑 2：不适用于数据库事务架构
Errors in Database Systems, Eventual Consistency, and the CAP Theorem 的作者，详细地列举了分布式事务中可能的分区情况，比如说应用因为更新一些错误的数据而导致失败，此时无论使用什么样的高可用方案都是徒劳，因为数据发生了无法修正地错误！作者还列举了其他一些情况，虽然分区发生但无法保持高可用，这就说明了CAP并不能用来完全解释数据库事务架构。
作者还建议，应该放弃分区容错，因为在局域网中分区很少发生；而在广域网中，有各种备选方案，导致实际上的分区也较少发生。
3.3 质疑 3：应该构建不可变模型避免 CAP 的复杂性
How to beat the CAP theorem 一文的标题就是锤死 CAP，可见作者对 CAP 的不屑溢于言表！
作者认为 CAP 的困境在于允许数据变更，每次变更就得数据同步，保持一致性，这样系统非常复杂。
他认为数据就是客观存在的，不可变，只能增、查。传统的 CURD 变为 CR。这个概念非常类似 Cassandra 中的顺序写的概念，任何的变更都是增加记录。通过对所有记录的操作进行合并，从而得到最终记录。
因此，作者认为任何的数据模型都应该抽象为：Query=Function(all data)，任何的数据试图都是查询，查询是对全体数据施加了某个函数的结果。这个定义清晰简单，完全抛弃了 CAP 那些繁琐而又模糊的语义。因为每次操作都是对所有数据进行全局计算，也就没有了一致性问题！
有这样的系统吗？有，Hadoop 便是！作者认为，Hadoop 的 HDFS 只支持数据增加，而 Mapeduce 却进行全局计算，完美地符合了他对数据处理的期望！
Hadoop 也存在某个节点数据丢失的问题，但随着流式计算，丢失的数据终究会随着系统的正常而被最终合并，因此数据最终是一致的。
Hadoop 不能进行实时计算咋办？作者又构建了一套基于 Cassandra 和 ElephantDB 的实时数据处理系统。搞得无比复杂！
3.4 质疑 4：分区容错概念有误导
cap-confusion-problems-with-partition-tolerance 一文的作者质疑了 Errors in Database Systems, Eventual Consistency, and the CAP Theorem 作者的观点，但是比较清晰地揭露了 CAP 概念之间的模糊。
作者认为可用性和一致性是分布式系统的属性，而分区却是网络的一个属性。不能在问题发生时是否选择要不要分区，而是应该在分区既定的情况下选择要一致性还是可用性。网络分区会发生在两种情况：
- 交换机失败，导致网络发生 Errors in Database Systems, Eventual Consistency, and the CAP Theorem 文中描述的情况，网络被分成几个子网
- 机器延迟或死机，导致某些 server 失去联系
Errors in Database Systems, Eventual Consistency, and the CAP Theorem 文中所谓的分区就是情况 1，每个独立的子网还能正常运作，作者认为这种分区条件非常苛刻，更倾向于认为这只是分区可用性的一种度量方式（发给每个子网的请求都有正确的 Response）。
而实际上，因为机器原因发生的分区情况更常见一些，如果“很多”机器都发生故障，系统会因为一个“多数派”的丢失而导致不可用（比如，因为多数不存在，最新的读可能无法读取到上一次的写）。一句话：分区也同时蕴涵着不可用，这两个概念之间存在重叠。
作者认为，CAP 比较合理的表达方式应该是：在一个允许网络发生故障的系统中，该选择一致性还是可用性？
当系统的机器数量持续增加时，一致性会加剧时延，维护一致性的成本会非常之高，因此我们基本就剩下一种选择：在允许网络失败的系统中，更多地是选择可用性。而 Zookeeper、Hadoop 之所以选择一致性，是因为这些系统多数是由在同一集群的少数节点构成！
作者其实间接地否认了“3个中同时满足2个”这样的误解，而是从更深层次探讨了 CAP 的本质，但并没有试图推翻 CAP。
4.对质疑的回应
面对大量的质疑，Brewer和Lynch终于坐不住了，因此两人纷纷出来澄清：
Brewer 于 2012 年重申：
- “3 个中的 2 个”这个表述是不准确的，在某些分区极少发生的情况下，三者能顺畅地在一起配合
- CAP 不仅仅是发生在整个系统中，可能是发生在某个子系统或系统的某个阶段
该声明并不否认像质疑 3 那种三个因素协同工作的情况，并把 CAP 应用在一些更细粒度的场景中。
Lynch 也在 10 年后的 2012 年重写了一篇关于 CAP 的论文 Perspectives on the CAP Theorem，该论文主要做了几件事：
- 把 CAP 理论的证明局限在原子读写的场景，并申明不支持数据库事务之类的场景
- 一致性场景不会引入用户 agent，只是发生在后台集群之内
- 把分区容错归结为一个对网络环境的陈述，而非之前一个独立条件。这实际上就是更加明确了概念
- 引入了活性（liveness）和安全属性（safety），在一个更抽象的概念下研究分布式系统，并认为 CAP 是活性与安全属性之间权衡的一个特例。其中的一致性属于 liveness，可用性属于 safety。
- 把 CAP 的研究推到一个更广阔的空间：网络存在同步、部分同步；一致性性的结果也从仅存在一个到存在 N 个（部分一致）；引入了通信周期 round，并引用了其他论文，给出了为了保证 N 个一致性结果，至少需要通信的 round 数。也介绍了其他人的一些成果，这些成果分别都对 CAP 的某一个方面做出了特殊的贡献！
其实 Lynch 的论文主要就是两件事：缩小 CAP 适用的定义，消除质疑的场景；展示了 CAP 在非单一一致性结果下的广阔的研究结果！并顺便暗示 CAP 定理依旧正确！
从此论文还是可以看出，Lynch 的功力高出其他质疑者好多！
5.如何看待CAP？
首先肯定的是，CAP 并不适合再作为一个适应任何场景的定理，它的正确性更加适合基于原子读写的 NoSQL 场景。质疑虽然很多，但很多质疑者只是偷换概念，并没有解决各个因素之间的取舍问题。而无论如何，C、A、P 这个三个概念始终存在任何分布式系统，只是不同的模型会对其有不同的呈现，可能某些场景对三者之间的关系敏感，而另一些不敏感。在所有的质疑当中，质疑 4 是分析的比较中肯的，其清晰的概念分析该让我们对 CAP 有更深入的理解！
就像 Lynch 所说，现在分布式系统有很多特性，比如扩展性、优雅降级等，虽着时间的发展，或许这些也会被纳入研究范畴，而作为开发者，这都是我们需要考虑的问题，而不仅是 CAP 三者！
参考文献
Practical Understanding of FLP Impossibility for Distributed Consensus
wikipedia.CAP定理
Deconstructing the `CAP theorem’ for CM and DevOps
Errors in Database Systems, Eventual Consistency, and the CAP Theorem
How to beat the CAP theorem
cap-confusion-problems-with-partition-tolerance
Perspectives on the CAP Theorem
以上是关于分布式 CAP 定理的前世今生的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章