CAP 理論是分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要理論，雖然它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了非常有用的依據(jù)，但是也帶來了很多誤解。本文將從 CAP 誕生的背景說起，然后對(duì)理論進(jìn)行解釋，最后對(duì) CAP 在當(dāng)前背景下的一些新理解進(jìn)行分析，澄清一些對(duì) CAP 的誤解。

CAP 理論誕生的背景

CAP 理論的是在“數(shù)據(jù)一致性 VS 可用性”的爭論中產(chǎn)生。CAP 的作者 Brewer 在 90 年代的時(shí)候就開始研究基于集群的跨區(qū)域系統(tǒng)（實(shí)質(zhì)上是早期的云計(jì)算），對(duì)于這類系統(tǒng)而言，系統(tǒng)可用性是首要目標(biāo)，因此他們采用了緩存或者事后更新的方式來優(yōu)化系統(tǒng)的可用性。盡管這些方法提升了系統(tǒng)的可用性，但是犧牲了系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性。

Brewer 在 90 年代提出了 BASE 理論（基本可用、軟狀態(tài)、最終一致性），這在當(dāng)時(shí)還不怎么被接受。因?yàn)榇蠹疫€是比較看重 ACID 的優(yōu)點(diǎn)，不愿意放棄強(qiáng)一致性。因此，Brewer 提出了 CAP 理論，目的就是為了開闊分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空間，通過“三選二”的公式，解放思想，不要只抓著一致性不放。

理解了 CAP 誕生的背景，我們才能更加深入的理解 CAP 理論，以及它帶來的啟示。“三選二”的觀點(diǎn)雖然幫助大家開拓了設(shè)計(jì)思路，但是也帶來了很多誤解。下面我們會(huì)逐一分析，首先來看一下 CAP 理論的解釋。

CAP 理論的經(jīng)典解釋

CAP 定理是分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)，也是最為關(guān)鍵的理論。它指出，分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不可能同時(shí)滿足以下三個(gè)條件。

• 一致性（Consistency）：每次讀取要么獲得最近寫入的數(shù)據(jù)，要么獲得一個(gè)錯(cuò)誤。
• 可用性（Availability）：每次請求都能獲得一個(gè)（非錯(cuò)誤）響應(yīng)，但不保證返回的是最新寫入的數(shù)據(jù)。
• 分區(qū)容忍（Partition tolerance）：盡管任意數(shù)量的消息被節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)丟失（或延遲），系統(tǒng)仍繼續(xù)運(yùn)行。

CAP 定理表明，在存在網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的情況下，一致性和可用性必須二選一。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生分區(qū)（不同節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或者延遲較大）時(shí)，要么失去一致性（允許不同分區(qū)的數(shù)據(jù)寫入），要么失去可用性（識(shí)別到網(wǎng)絡(luò)分區(qū)時(shí)停止服務(wù)）。而在沒有發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，即分布式系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，一致性和可用性是可以同時(shí)被滿足的。這里需要注意的是，CAP 定理中的一致性與 ACID 數(shù)據(jù)庫事務(wù)中的一致性截然不同。ACID 的 C 指的是事務(wù)不能破壞任何數(shù)據(jù)庫規(guī)則，如鍵的唯一性。與之相比，CAP 的 C 僅指單一副本這個(gè)意義上的一致性，因此只是 ACID 一致性約束的一個(gè)嚴(yán)格的子集。

CAP 理論看起來難理解，其實(shí)只要抓住一個(gè)核心點(diǎn)就能推導(dǎo)出來，不用死記硬背。在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的時(shí)候，

• 如果系統(tǒng)不允許寫入，那么意味著降低了系統(tǒng)的可用性，但不同分區(qū)的數(shù)據(jù)能夠保持一致，即選擇了一致性。
• 如果系統(tǒng)允許寫入，那么意味著不同分區(qū)之間的數(shù)據(jù)產(chǎn)生不一致，系統(tǒng)可用性得到保障，即選擇可用性。

CAP 的新理解

CAP 經(jīng)常被誤解，很大程度上是因?yàn)樵谟懻?CAP 的時(shí)候可用性和一致性的作用范圍往往都是含糊不清的。如果不先定義好可用性、一致性、分區(qū)容忍在具體場景下的概念，CAP 實(shí)際上反而會(huì)束縛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路。首先，由于分區(qū)很少發(fā)生，那么在系統(tǒng)不存在分區(qū)的情況下沒什么理由犧牲 C 或 A。其次，C 與 A 之間的取舍可以在同一系統(tǒng)內(nèi)以非常細(xì)小的粒度反復(fù)發(fā)生，而每一次的決策可能因?yàn)榫唧w的操作，乃至因?yàn)闋可娴教囟ǖ臄?shù)據(jù)或用戶而有所不同。最后，這三種性質(zhì)都可以在程度上都可以進(jìn)行度量，并不是非黑即白的有或無。可用性顯然是在 0% 到 100% 之間連續(xù)變化的，一致性分很多級(jí)別，連分區(qū)也可以細(xì)分為不同含義，如系統(tǒng)內(nèi)的不同部分對(duì)于是否存在分區(qū)可以有不一樣的認(rèn)知。

什么是分區(qū)容忍

在現(xiàn)實(shí)世界中，正常情況下分布式系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信是可靠的，不會(huì)出現(xiàn)消息丟失或者延遲很高的情況，但是網(wǎng)絡(luò)是不可靠的，總會(huì)偶爾出現(xiàn)消息丟失或者消息延遲很高的情況，這個(gè)時(shí)候不同區(qū)域的節(jié)點(diǎn)之間在一段時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)無法通信的情況，也就是發(fā)生了分區(qū)。

分區(qū)容忍就是指分布式系統(tǒng)在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的時(shí)候，仍然能繼續(xù)運(yùn)行，對(duì)外提供服務(wù)。注意，這里所說的仍然能夠?qū)ν馓峁┓?wù)跟可用性的要求不一樣，可用性要求的是對(duì)于任意請求都能得到響應(yīng)，意味著即使出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)所有節(jié)點(diǎn)都能夠提供服務(wù)。而分區(qū)容忍的重點(diǎn)在于出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)之后，系統(tǒng)仍然是可用的（包括部分可用）。

舉個(gè)例子：使用 Paxos 進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制的系統(tǒng)就是典型的 CP 系統(tǒng)，即使出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，主分區(qū)也能夠提供服務(wù)，所以它是分區(qū)容忍的。再舉個(gè)反例：使用 2PC 進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制的系統(tǒng)沒有分區(qū)容忍的特性，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)阻塞。

可用性的范圍

可用性其實(shí)很直觀：每次請求都能獲得一個(gè)（非錯(cuò)誤）響應(yīng)，但不保證返回的是最新寫入的數(shù)據(jù)。換一個(gè)說法就是對(duì)于分布式系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都能夠?qū)ν獠空埱笞龀鲰憫?yīng)，但不要求一致性。

經(jīng)常讓我們疑惑的問題是衡量系統(tǒng)可用性的標(biāo)準(zhǔn)是什么？其實(shí)關(guān)鍵點(diǎn)在于可用性的范圍，脫離了具體場景下的可用性范圍是沒有意義的。討論可用性是要有具體場景來劃分邊界的，簡單的認(rèn)為某個(gè)算法是滿足可用性要求其實(shí)并不嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)樵诠こ虒?shí)現(xiàn)中會(huì)有很多的技巧去彌補(bǔ)修正。

舉個(gè)例子：谷歌文檔就是非常典型的 AP 系統(tǒng)，它在網(wǎng)絡(luò)斷了的情況下也能夠使用。訣竅在于它在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)斷了之后會(huì)進(jìn)入離線模式，允許用戶繼續(xù)進(jìn)行編輯，然后在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)之后再對(duì)修改的內(nèi)容進(jìn)行合并處理。可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于谷歌文檔來說，用戶的瀏覽器也是它系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)時(shí)，它仍然能夠?yàn)橛脩籼峁┓?wù)，但是代價(jià)是放棄了一致性，因?yàn)橛脩糇龅男薷闹挥斜镜刂?#xff0c;服務(wù)端是不清楚的。所以在這個(gè)例子里面，可用性的范圍是包括了用戶瀏覽器在內(nèi)的，不是我們常規(guī)理解的分布式系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)一定就是服務(wù)端的機(jī)器。

值得注意的是在現(xiàn)實(shí)世界中，我們一般不會(huì)去追求完美的可用性，所以一般的說法是高可用，即盡可能保證更多的節(jié)點(diǎn)服務(wù)可用。這也是為什么 Paxos 這類的一致性算法越來越流行的原因之一。

一致性的范圍

討論一致性的時(shí)候必須要明確一致性的范圍，即在一定的邊界內(nèi)狀態(tài)是一致的，超出邊界之外的一致性是無從談起的。比如 Paxos 在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的時(shí)候，在一個(gè)主分區(qū)內(nèi)可以保證完備的一致性和可用性，而在分區(qū)外服務(wù)是不可用的。值得注意的是，當(dāng)系統(tǒng)在分區(qū)的時(shí)候選擇了一致性，也就是 CP，并不意味著完全失去了可用性，這取決于一致性算法的實(shí)現(xiàn)。比如標(biāo)準(zhǔn)的兩階段提交發(fā)生分區(qū)的時(shí)候是完全不可用的，而 Paxos 則保證了主分區(qū)的一致性和可用性。

經(jīng)過上面的討論可以發(fā)現(xiàn)，可用性的范圍要求比一致性的范圍要求要更嚴(yán)格，CAP 理論中的可用性要求的是整個(gè)系統(tǒng)的可用性，即使出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)不可用也算是違反了可用性約束。而一致性的要求則沒有那么高，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的時(shí)候只要保證主分區(qū)數(shù)據(jù)一致性，也認(rèn)為系統(tǒng)是符合一致性約束的。為什么這么說呢？因?yàn)楫?dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的時(shí)候，客戶端只要通過訪問主分區(qū)就能得到最新的值（訪問超過半數(shù)以上節(jié)點(diǎn)，如果值都相同說明訪問的數(shù)據(jù)是最新的），此時(shí)系統(tǒng)是滿足 CAP 理論中一致性的要求的。

管理分區(qū)

網(wǎng)絡(luò)分區(qū)是分布式系統(tǒng)中必然發(fā)生的事情，經(jīng)典的 CAP 理論是忽略網(wǎng)絡(luò)延遲的，但是在現(xiàn)實(shí)世界中，網(wǎng)絡(luò)延遲跟分區(qū)密切相關(guān)。也就是說當(dāng)系統(tǒng)在有限的時(shí)間內(nèi)無法通信達(dá)成一致（網(wǎng)絡(luò)延遲很高），就意味著發(fā)生了分區(qū)。此時(shí)就需要在一致性和可用性之間做出選擇：選擇繼續(xù)重試就意味著選擇一致性，放棄可用性；放棄數(shù)據(jù)一致性讓操作完成就意味著選擇了可用性。值得注意的是在分區(qū)的時(shí)候放棄數(shù)據(jù)一致性并不是意味著完全不管，一般工程實(shí)現(xiàn)會(huì)采用重試的方式達(dá)到最終一致性。

通過上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，平衡分區(qū)期間可用性和一致性的影響是分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。因此，管理分區(qū)不僅是需要主動(dòng)發(fā)現(xiàn)分區(qū)，還需要針對(duì)分區(qū)期間產(chǎn)生的影響準(zhǔn)備恢復(fù)過程。也就是說我們可以從另一個(gè)角度來應(yīng)用 CAP 理論：系統(tǒng)進(jìn)入分區(qū)模式的時(shí)候，如何在一致性和可用性之間做出選擇。

管理分區(qū)有三個(gè)步驟：

• 檢測到分區(qū)開始
• 明確進(jìn)入分區(qū)模式，限制某些操作
• 當(dāng)通信恢復(fù)后啟動(dòng)分區(qū)恢復(fù)過程

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入分區(qū)模式之后，有兩種選擇：

• 選擇一致性：例如 Paxos 算法，只有大多數(shù)的主分區(qū)能夠進(jìn)行操作，其他分區(qū)不可用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)之后少數(shù)節(jié)點(diǎn)跟多數(shù)節(jié)點(diǎn)同步數(shù)據(jù)。
• 選擇可用性：例如谷歌文檔，出現(xiàn)分區(qū)時(shí)進(jìn)入離線模式，等網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)了客戶端跟服務(wù)端數(shù)據(jù)進(jìn)行合并恢復(fù)。

總結(jié)

理論抽象于現(xiàn)實(shí)，服務(wù)于現(xiàn)實(shí)，但絕不等于現(xiàn)實(shí)。對(duì) CAP 理論“三選二”的誤解就源于我們經(jīng)常把理論等同于現(xiàn)實(shí)。CAP 的誕生主要是為了拓寬設(shè)計(jì)思路，不要局限在強(qiáng)一致性的約束中。簡單的把“三選二”進(jìn)行套用反而限制了設(shè)計(jì)思路。在現(xiàn)實(shí)世界中，不同業(yè)務(wù)場景對(duì)可用性和一致性的要求不一樣，并且一致性和可用性的范圍和區(qū)間是動(dòng)態(tài)變化的，并不是非此即彼。因此，準(zhǔn)確理解 CAP 理論，從管理分區(qū)的角度出發(fā)，結(jié)合具體的業(yè)務(wù)場景，才能做出更好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的分布式系统：CAP 理论的前世今生的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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