不懂点CAP理论，你好意思说你是做分布式的吗？

Posted 2021-05-01 高效运维

作者简介

于君泽 (高级技术专家)

蚂蚁金服高级技术专家、支付核算技术部负责人. 中生代技术群发起人 。

个人感兴趣的方向：高并发、分布式系统、稳定性模式；内建质量、技术型管理。

CAP是什么？

CAP理论，被戏称为[帽子理论]。CAP理论由Eric Brewer在ACM研讨会上提出，而后CAP被奉为分布式领域的重要理论【link1】 。

分布式系统的CAP理论

首先把分布式系统中的三个特性进行了如下归纳：

• 一致性（C）：在分布式系统中的所有数据备份，在同一时刻是否同样的值。（等同于所有节点访问同一份最新的数据副本）

• 可用性（A）：在集群中一部分节点故障后，集群整体是否还能响应客户端的读写请求。（对数据更新具备高可用性）

• 分区容忍性（P）：以实际效果而言，分区相当于对通信的时限要求。系统如果不能在时限内达成数据一致性，就意味着发生了分区的情况，必须就当前操作在C和A之间做出选择。

高可用、数据一致性是很多系统设计的目标，但是分区又是不可避免的事情。我们来看一看分别拥有CA、CP和AP的情况。

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。

from：

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。

from 同上

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。

from 同上

CAP理论的证明

该理论由brewer提出，2年后就是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，它只是证明了CAP三者不可能同时满足，并没有证明任意二者都可满足的问题，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：采用反证法，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一样。

• 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。

CAP理论澄清

[CAP理论十二年回顾：”规则”变了]一文首发于  Computer 杂志，后由InfoQ和IEEE联合呈现,非常精彩，文章表达了几个观点【link2】。

“三选二”是一个伪命题

不是为了P（分区容忍性），要在A和C之间选择一个。分区很少出现，CAP在大多数时候允许完美的C和A。但当分区存在或可感知其影响的情况下，就要预备一种策略去探知分区并显式处理其影响。

这样的策略应分为三个步骤：

1. 探知分区发生

2. 进入显式的分区模式以限制某些操作

3. 启动恢复过程以恢复数据一致性并补偿分区期间发生的错误。

“一致性的作用范围”其实反映了这样一种观念，即在一定的边界内状态是一致的，但超出了边界就无从谈起。

比如在一个主分区内可以保证完备的一致性和可用性，而在分区外服务是不可用的。Paxos算法和原子性多播（atomic multicast）系统一般符合这样的场景。

像Google的一般做法是将主分区归属在单个数据中心里面，然后交给Paxos算法去解决跨区域的问题，一方面保证全局协商一致（global consensus）如Chubby，一方面实现高可用的持久性存储如Megastore。

ACID、BASE、CAP

ACID和BASE 这两个术语都好记有余而精确不足，出现较晚的BASE硬凑的感觉更明显，它是“Basically Available, Soft state, Eventually consistent（基本可用、软状态、最终一致性）”的首字母缩写。

其中的软状态和最终一致性这两种技巧擅于对付存在分区的场合，并因此提高了可用性。

CAP与ACID的关系更复杂一些，也因此引起更多误解。其中一个原因是ACID的C和A字母所代表的概念不同于CAP的C和A。还有一个原因是选择可用性只部分地影响ACID约束。

图片来自创业的朱永光老师

进一步看[分区]之后

用一下这张图[引用自 link 2]，在状态S的时候是非分区状态，而分区模式则演化出来了S1，S2，那么问题来了，分区恢复之后，状态究竟是多少呢？有几种解决方案？

1、分区恢复策略：可交换多副本数据类型

注意，能支持此类处理的场景是有限的。

riak_dt 就是这样一种保障最终一致性实现的数据结构，它分为Operation-based CRDTs、State-based CRDTs 2种形态。

riak_dt   link参见 link 。

from：

2、分区恢复策略：回放合并

在分区恢复过程中，设计师必须解决两个问题：

分区两侧的状态最终必须保持一致

并且必须补偿分区期间产生的错误

如上图所示，对于分区恢复的状态S*可以通过未分区时的状态S为起点，然后按顺序[回放]相应的变化事件[以特定方式推进分区两侧的一系列操作，并在过程中一直保持一致的状态。

Bayou[link 4]就是这个实现机制，它会回滚数据库到正确的时刻并按无歧义的、确定性的顺序重新执行所有的操作，最终使所有的节点达到相同的状态。

对于有冲突的情况，比如版本管理软件cvs，存在人工介入、消除冲突的处理策略。

3、有限制处理

有限制处理：[link 2]提的自动柜员机补偿问题，比较形象说明了这个问题。此问题本质上是可用性和一致性的折衷处理。

以自动柜员机（ATM）的设计来说，强一致性看似符合逻辑的选择，但现实情况是可用性远比一致性重要。理由很简单：高可用性意味着高收入。

不管怎么样，讨论如何补偿分区期间被破坏的不变性约束，ATM的设计很适合作为例子。

ATM的基本操作是存款、取款、查看余额。关键的不变性约束是余额应大于或等于零。因为只有取款操作会触犯这项不变性约束，也就只有取款操作将受到特别对待，其他两种操作随时都可以执行。

ATM系统设计师可以选择在分区期间禁止取款操作，因为在那段时间里没办法知道真实的余额，当然这样会损害可用性。现代ATM的做法正相反，在stand-in模式下（即分区模式），ATM限制净取款额不得高于k，比如k为$200。

• 低于限额的时候，取款完全正常；

• 当超过限额的时候，系统拒绝取款操作。

这样，ATM成功将可用性限制在一个合理的水平上，既允许取款操作，又限制了风险。

分区结束的时候，必须有一些措施来恢复一致性和补偿分区期间系统所造成的错误。

状态的恢复比较简单，因为操作都是符合交换率的，补偿就要分几种情况去考虑。

• 最后的余额低于零违反了不变性约束。由于ATM已经把钱吐出去了，错误成了外部实在。银行的补偿办法是收取透支费并指望顾客偿还。因为风险已经受到限制，问题并不严重。

• 还有一种情况是分区期间的某一刻余额已经小于零（但ATM不知道），此时一笔存款重新将余额变为正的。银行可以追溯产生透支费，也可以因为顾客已经缴付而忽略该违反情况。

总而言之，因为通信延迟的存在，银行系统不依靠一致性来保证正确性，而更多地依靠审计和补偿。

“空头支票诈骗”也是类似的例子，顾客赶在多家分行对账之前分别取出钱来然后逃跑。透支的错误过后才会被发现，对错误的补偿也许体现为法律行动的形式。

此前，中行IBM大型机宕机，系统没有第一时间切换到热备或者异地容灾上，直接影响中行的信用卡支付相关业务，直到4小时之后才恢复服务。

有对应的的原因包括日常演练等问题，等更重要的是在[可用性和一致性]之间选择了一致性，4H之后提供服务，备库仍然主要起数据备份的作用。

有限制处理方案是需要冒险滴，为了保障可用性，无法保障数据100%精确，可以折衷提供部分有损服务。

比如取款根据信用是不是能限制一定金额，而存款是Ok的等等。大额对公业务也可以采取具体办法，当然这将在精细化管理服务能力及配套能力上付出更多的IT成本。

有关中行IBM大型机宕机的报道link：

超越CAP？

Nathan Marz：How to beat the CAP theorem

2011年11月Twitter的首席工程师Nathan Marz写了一篇文章，描述了他是如何试图打败CAP定理的： How to beat the CAP theorem

作者表示不是要“击败”CAP，而是尝试对数据存储系统进行重新设计，以可控的复杂度来实现CAP。Marz认为一个分布式系统面临CAP难题的两大问题就是：

在数据库中如何使用不断变化的数据

如何使用算法来更新数据库中的数据

Marz提出了2个基本思路：

1、数据不存在update，只存在append操作。这样就把对数据的处理由CRUD变为CR；同样的，delete操作也可以处理为add一条新记录。

比如 友强取消了对山丘的关注，传统关系型数据库是在关系表删除一条记录，而Marz也可以新增一条关系为[取消]的记录。

2、所有的数据的操作就只剩下Create和Read。把Read作为一个Query来处理，而一个Query就是一个对整个数据集执行一个函数操作。

总结，在有一定时序性，且对实时一致性要求不高的场景下可以选择使用，毕竟在问题解决域多了一把锤子。Query过程中的跨分区函数仍然是一种合并的变种（Merge）！

OceanBase的另类之路

既然更新数据涉及到分区问题，那么能不能把更新放到一个服务器呢[脑洞大开]？然后通过强大的软件+硬件能力一起去保障它！同时已经不修改的数据天然具备可扩展性！这是我粗暴理解OceanBase的基本设计思想。

link 写道：作为电子商务企业，淘宝和其他公司的业务对一致性和可用性的要求高于分区容错性，数据特征是数据总量庞大且逐步增加，单位时间内的数据更新量并不大，但实时性要求很高。

这就要求我们提供一套更加偏重于支持CA特性的系统，同时兼顾可分区性，并且在实时性、成本、性能等方面表现良好。

OceanBase的逻辑架构简图

关于UpdateServer的性能问题

其实大部分数据库每天的修改次数相当有限，只有少数修改比较频繁的数据库才有每天几亿次的修改次数。另外，数据库平均每次修改涉及的数据量很少，很多时候只有几十个字节到几百个字节。

假设数据库每天更新1亿次，平均每次需要消耗100字节，每天插入1000万次，平均每次需要消耗1000字节，那么，一天的修改量为：1亿 100 + 1000万 1000 = 20GB，如果内存数据结构膨胀2倍，占用内存只有40GB。

而当前主流的服务器都可以配置96GB内存，一些高档的服务器甚至可以配置192GB、384GB乃至更多内存。

TiDB

TiDB 是国内 PingCAP 团队开发的一个分布式 SQL 数据库。其灵感来自于 Google 的 F1, TiDB 支持包括传统 RDBMS 和 NoSQL 的特性。

从下面这篇访谈来看，分布式事务早期版本中，他们参考的是 Google 的 Percolator 的模型。由于该项目还未在线上产品使用，就不具体展开了，有兴趣的朋友参考下面的link。

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总结：

CAP是分布式领域的重要理论，但不代表完全不能有延展的解读和思考。另外[三选二]本身也是有条件成立的，不能简单误读，一切取决于应用场景。如果不加选择按照理论形式无异于刻舟求剑。

如果大家对CAP理论感兴趣，也可以加我微信一起讨论：