10分钟了解分布式CAPBASE理论

Posted 2022-06-01 chengtian

CAP理论

2000年7月，Eric Brewer教授提出CAP猜想；2年后，Seth Gilbert和Nancy Lynch从理论上证明了CAP；之后，CAP理论正式成为分布式计算领域的公认定理。 CAP定律说的是在一个分布式计算机系统中，一致性，可用性和分区容错性这三种保证无法同时得到满足，最多满足两个。 CAP：C ：Consistency（一致性）A：（Availability）可用性P：（Partition Tolerance）分区容错性

让我们构造一个非常简单的分布式系统。

• 两台服务器G1和G2
• 两台服务器可以相互通讯
• 客户端可以随机访问任何一台服务器 

Consistency（一致性）

Gilbert and Lynch 这样描述的一致性.

any read operation that begins after a write operation completes must return that value, or the result of a later write operation

在写操作完成之后的任何读操作都必须返回该值。

客户端向G1服务器发起一个写操作，把变量初始值v0 改为v1，接下来客户端可能向节点G1读取也可能向节点G2读取;

• 向G1发起一个读操作，得到更改后的值V1。这就是满足了一致性 

  • 

• 向G2发起一个读操作，此时G1向G2发送同步消息

1. 如果同步完成 ，那么读到的结果是v1，这样也满足了一致性 

   1. 

2. 还未同步完成，这是G2还是v0，这就不满足一致性。

（Partition Tolerance）分区容错

Gilbert and Lynch 这样描述的分区容错.

the network will be allowed to lose arbitrarily many messages sent from one node to another

网络允许丢失任意多的消息从一个节点发送到另外一个节点

在分布式环境中，节点之间的通信可能出现问题，整个系统就产生所谓的分区。所以我们在设计的时候需要考虑这种情况；剩下来的 A和C满足好，我们就可以说我们的系统有很好的分区容错性。

（Availability）可用性

Gilbert and Lynch 对 availability的描述原文. every request received by a non-failing node in the system must result in a response 系统中非失败节点收到的每个请求都必须导致响应 在可用性系统中，只要服务器没有奔溃，客户端发送请求，服务器必须返回一个相应给客户端。

为什么要CAP不能同时满足

通过上述的定义和描述知道分区无法避免，p总是要考虑的。为什么c和a无法同时做到呢？其实都是分区惹的祸。

如果我们保证一致性；那么G1写入操作之后，必须保证数据同步给G2之后，G2才能对外提供响应，这显然就没有可用性了。

反之 我们保证可用性，那就没法保证一致性了，既生瑜何生亮的悲剧。

小结

经过上面分析，在分布式系统中，我们一般会选择AP而牺牲一致性。牺牲并不意味着不关心一致性，而是首先满足A和P，如何解决C的问题。参考以下BASE理论

BASE 理论

eBay的架构师Dan Pritchett源于对大规模分布式系统的实践总结，在ACM上发表文章提出BASE理论，BASE理论是对CAP理论的延伸，核心思想是即使无法做到强一致性（StrongConsistency，CAP的一致性就是强一致性），但应用可以采用适合的方式达到最终一致性（Eventual Consitency）。

（Basically Available）基本可用

在分布式系统出现故障的时候，允许损失部分可用性，即保证核心可用。

（Soft State）软状态

接受一段时间的状态不同步，及中间状态，而改中间状态不影响系统整体可用性。这里的中间状态就是CAP理论中的数据不一致性。

（Eventually Consistent）最终一致性

上面说软状态，然后不可能一直是软状态，必须有个时间期限。在期限过后系统能够保证在没有其他新的更新操作的情况下，数据最终一定能够达到一致的状态，因此所有客户端对系统的数据访问最终都能够获取到最新的值。

总结

CAP是分布式系统设计理论，BASE是CAP理论中AP方案的延伸，对于C我们采用的方式和策略就是保证最终一致性；

参考

英文版的：https://mwhittaker.github.io/blog/an_illustrated_proof_of_the_cap_theorem/

CAP 理论十二年回顾："规则"变了：https://www.infoq.cn/article/cap-twelve-years-later-how-the-rules-have-changed

CAP 定理的含义：http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/07/cap.html

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