CAP理论

极客时间:《从 0 开始学架构》:想成为架构师,必须知道CAP理论

1、引言

CAP 定理(CAP theorem)又被称作布鲁尔定理(Brewer's theorem),对于设计分布式系统的架构师来说,CAP 是必须掌握的理论。

Robert Greiner在关于CAP理论的文章中写道:

In a distributed system (a collection of interconnected nodes that share data.), you can only have two out of the following three guarantees across a write/read pair: Consistency, Availability, and Partition Tolerance - one of them must be sacrificed.
http://robertgreiner.com/2014/08/cap-theorem-revisited/)

简单翻译为:在一个分布式系统(指互相连接并共享数据的节点的集合)中,当涉及读写操作时,只能保证一致性(Consistence)、可用性(Availability)、分区容错性(Partition Tolerance)三者中的两个,另外一个必须被牺牲。

CAP理关注的是对数据的读写操作,而不是分布式系统的所有功能。例如,ZooKeeper 的选举机制就不是 CAP 探讨的对象。

2、一致性(Consistency)

A read is guaranteed to return the most recent write for a given client.

简单翻译为:对某个指定的客户端来说,读操作保证能够返回最新的写操作结果。
强调 client 读操作能够获取最新的写结果就没有问题,因为事务在执行过程中,client 是无法读取到未提交的数据的,只有等到事务提交后,client 才能读取到事务写入的数据,而如果事务失败则会进行回滚,client 也不会读取到事务中间写入的数据。

3、可用性(Availability)

A non-failing node will return a reasonable response within a reasonable amount of time (no error or timeout).

简单翻译为:非故障的节点在合理的时间内返回合理的响应(不是错误和超时的响应)。

4、分区容忍性(Partition Tolerance)

The system will continue to function when network partitions occur.

简单翻译为:当出现网络分区后,系统能够继续“履行职责”。
function 强调“发挥作用”“履行职责”,这点和可用性是一脉相承的。也就是说,只有返回 reasonable response 才是 function。

5、CPA应用

虽然 CAP 理论定义是三个要素中只能取两个,但放到分布式环境下来思考,我们会发现必须选择 P(分区容忍)要素,因为网络本身无法做到 100% 可靠,有可能出故障,所以分区是一个必然的现象。如果我们选择了 CA 而放弃了 P,那么当发生分区现象时,为了保证 C,系统需要禁止写入,当有写入请求时,系统返回 error(例如,当前系统不允许写入),这又和 A 冲突了,因为 A 要求返回 no error 和 no timeout。因此,分布式系统理论上不可能选择 CA 架构,只能选择 CP 或者 AP 架构。

5.1、 CP - Consistency/Partition Tolerance

如下图所示,为了保证一致性,当发生分区现象后,N1 节点上的数据已经更新到 y,但由于 N1 和 N2 之间的复制通道中断,数据 y 无法同步到 N2,N2 节点上的数据还是 x。这时客户端 C 访问 N2 时,N2 需要返回 Error,提示客户端 C“系统现在发生了错误”,这种处理方式违背了可用性(Availability)的要求,因此 CAP 三者只能满足 CP。
CAP理论

5.2、AP - Availability/Partition Tolerance

如下图所示,为了保证可用性,当发生分区现象后,N1 节点上的数据已经更新到 y,但由于 N1 和 N2 之间的复制通道中断,数据 y 无法同步到 N2,N2 节点上的数据还是 x。这时客户端 C 访问 N2 时,N2 将当前自己拥有的数据 x 返回给客户端 C 了,而实际上当前最新的数据已经是 y 了,这就不满足一致性(Consistency)的要求了,因此 CAP 三者只能满足 AP。注意:这里 N2 节点返回 x,虽然不是一个“正确”的结果,但是一个“合理”的结果,因为 x 是旧的数据,并不是一个错乱的值,只是不是最新的数据而已。
CAP理论

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