分布式理论-CAP

分布式理论 - CAP

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特别说明

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CAP 理论指出，对于一个分布式计算系统，不可能同时满足以下三点:

1. 一致性（Consistency）：所有节点在同一时间具有相同的数据。
2. 可用性（Availability）：保证每个请求不管成功或者失败都有响应。
3. 分隔容忍（Partition tolerance）：系统中任意信息的丢失或失败不会影响系统的继续运作。以实际效果来说，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情况，就必须在 C 和 A 之间做抉择。

CAP 理论的核心是：一个分布式系统不可能同时很好地满足一致性、可用性和分区容错性这三个需求，最多只能同时满足两个。因此，根据 CAP 理论，可以将 NoSQL 数据库分成满足 CA 、CP、和 AP 的三类：

Partition tolerance

即：分区容错

大多数分布式系统都分布在多个子网络。每个子网络就叫做一个区（Partition）。分区容错的意思是，区间通信可能失败。比如，一台服务器放在中国，另一台服务器放在美国，这就是两个区，它们之间可能无法通信。

一般来说，分区容错无法避免，因此可以认为 CAP 中的 P 总是成立的。CAP 理论告诉我们，剩下的 C 和 A 无法同时做到。

Consistency

即：一致性。写操作之后的读操作，必须返回该值。

Availability

即：可用性。意思是只要收到用户的请求，服务器就必须给出响应。

Consistency 和 Availability 的矛盾

一致性和可用性，为什么不能同时成立？

因为存在通信失败（即出现分区容错）。

一致性与可用性的决择编辑

CAP 理论就是说在分布式存储系统中，最多只能实现上面的两点。而由于当前的网络硬件肯定会出现延迟丢包等问题，所以分区容忍性是我们必须需要实现的。所以我们只能在一致性和可用性之间进行权衡，没有 NoSQL 系统能同时保证这三点。

对于 web2.0 网站来说，关系数据库的很多主要特性却往往无用武之地

数据库事务一致性需求

　　很多web实时系统并不要求严格的数据库事务，对读一致性的要求很低，有些场合对写一致性要求并不高。允许实现最终一致性。
数据库的写实时性和读实时性需求

　　对关系数据库来说，插入一条数据之后立刻查询，是肯定可以读出来这条数据的，但是对于很多web应用来说，并不要求这么高的实时性，比方说发一条消息之 后，过几秒乃至十几秒之后，我的订阅者才看到这条动态是完全可以接受的。
对复杂的SQL查询，特别是多表关联查询的需求

　　任何大数据量的web系统，都非常忌讳多个大表的关联查询，以及复杂的数据分析类型的报表查询，特别是SNS类型的网站，从需求以及产品设计角 度，就避免了这种情况的产生。往往更多的只是单表的主键查询，以及单表的简单条件分页查询，SQL的功能被极大的弱化了。

BASE理论

BASE 是Basically Available（基本可用）、Soft state（软状态）和Eventually consistent（最终一致性）三个短语的简写，BASE是对CAP中一致性和可用性权衡的结果，其来源于对大规模互联网系统分布式实践的结论，是基于CAP定理逐步演化而来的，其核心思想是即使无法做到强一致性（Strong consistency），但每个应用都可以根据自身的业务特点，采用适当的方式来使系统达到最终一致性（Eventual consistency）。接下来我们着重对BASE中的三要素进行详细讲解。

基本可用

基本可用是指分布式系统在出现不可预知故障的时候，允许损失部分可用性——但请注意，这绝不等价于系统不可用，以下两个就是“基本可用”的典型例子。

响应时间上的损失：正常情况下，一个在线搜索引擎需要0.5秒内返回给用户相应的查询结果，但由于出现异常（比如系统部分机房发生断电或断网故障），查询结果的响应时间增加到了1~2秒。
功能上的损失：正常情况下，在一个电子商务网站上进行购物，消费者几乎能够顺利地完成每一笔订单，但是在一些节日大促购物高峰的时候，由于消费者的购物行为激增，为了保护购物系统的稳定性，部分消费者可能会被引导到一个降级页面。
弱状态也称为软状态，和硬状态相对，是指允许系统中的数据存在中间状态，并认为该中间状态的存在不会影响系统的整体可用性，即允许系统在不同节点的数据副本之间进行数据听不的过程存在延时。

最终一致性

最终一致性强调的是系统中所有的数据副本，在经过一段时间的同步后，最终能够达到一个一致的状态。因此，最终一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致，而不需要实时保证系统数据的强一致性

亚马逊首席技术官Werner Vogels在于2008年发表的一篇文章中对最终一致性进行了非常详细的介绍。他认为最终一致性时一种特殊的弱一致性：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都能够胡渠道最新的值。同时，在没有发生故障的前提下，数据达到一致状态的时间延迟，取决于网络延迟，系统负载和数据复制方案设计等因素。

在实际工程实践中，最终一致性存在以下五类主要变种。

因果一致性：

    因果一致性是指，如果进程A在更新完某个数据项后通知了进程B，那么进程B之后对该数据项的访问都应该能够获取到进程A更新后的最新值，并且如果进程B要对该数据项进行更新操作的话，务必基于进程A更新后的最新值，即不能发生丢失更新情况。与此同时，与进程A无因果关系的进程C的数据访问则没有这样的限制。

读己之所写：

    读己之所写是指，进程A更新一个数据项之后，它自己总是能够访问到更新过的最新值，而不会看到旧值。也就是说，对于单个数据获取者而言，其读取到的数据一定不会比自己上次写入的值旧。因此，读己之所写也可以看作是一种特殊的因果一致性。

会话一致性：

    会话一致性将对系统数据的访问过程框定在了一个会话当中：系统能保证在同一个有效的会话中实现“读己之所写”的一致性，也就是说，执行更新操作之后，客户端能够在同一个会话中始终读取到该数据项的最新值。

单调读一致性：

    单调读一致性是指如果一个进程从系统中读取出一个数据项的某个值后，那么系统对于该进程后续的任何数据访问都不应该返回更旧的值。

单调写一致性：

     单调写一致性是指，一个系统需要能够保证来自同一个进程的写操作被顺序地执行。

以上就是最终一致性的五类常见的变种，在时间系统实践中，可以将其中的若干个变种互相结合起来，以构建一个具有最终一致性的分布式系统。事实上，可以将其中的若干个变种相互结合起来，以构建一个具有最终一致性特性的分布式系统。事实上，最终一致性并不是只有那些大型分布式系统才设计的特性，许多现代的关系型数据库都采用了最终一致性模型。在现代关系型数据库中，大多都会采用同步和异步方式来实现主备数据复制技术。在同步方式中，数据的复制国耻鞥通常是更新事务的一部分，因此在事务完成后，主备数据库的数据就会达到一致。而在异步方式中，备库的更新往往存在延时，这取决于事务日志在主备数据库之间传输的时间长短，如果传输时间过长或者甚至在日志传输过程中出现异常导致无法及时将事务应用到备库上，那么狠显然，从备库中读取的的数据将是旧的，因此就出现了不一致的情况。当然，无论是采用多次重试还是认为数据订正，关系型数据库还是能搞保证最终数据达到一致——这就是系统提供最终一致性保证的经典案例。

总的来说，BASE理论面向的是大型高可用可扩展的分布式系统，和传统事务的ACID特性使相反的，它完全不同于ACID的强一致性模型，而是提出通过牺牲强一致性来获得可用性，并允许数据在一段时间内是不一致的，但最终达到一致状态。但同时，在实际的分布式场景中，不同业务单元和组件对数据一致性的要求是不同的，因此在具体的分布式系统架构设计过程中，ACID特性与BASE理论往往又会结合在一起使用。

小结：
计算机系统从集中式向分布式的变革随着包括分布式网络、分布式事务和分布式数据一致性等在内的一系列问题与挑战，同时也催生了一大批诸如ACID、CAP和BASE等经典理论的快速发展。

与NoSQL的关系编辑
传统的关系型数据库在功能支持上通常很宽泛，从简单的键值查询，到复杂的多表联合查询再到事务机制的支持。而与之不同的是，NoSQL系统通常注重性能和扩展性，而非事务机制（事务就是强一致性的体现）[2] 。
　　传统的SQL数据库的事务通常都是支持ACID的强事务机制。A代表原子性，即在事务中执行多个操作是原子性的，要么事务中的操作全部执行，要么一个都不执行;C代表一致性，即保证进行事务的过程中整个数据加的状态是一致的，不会出现数据花掉的情况;I代表隔离性，即两个事务不会相互影响，覆盖彼此数据等;D表示持久化，即事务一量完成，那么数据应该是被写到安全的，持久化存储的设备上（比如磁盘）。
　　NoSQL系统仅提供对行级别的原子性保证，也就是说同时对同一个Key下的数据进行的两个操作，在实际执行的时候是会串行的执行，保证了每一个Key-Value对不会被破坏。
CAP的是什么关系
It states, that though its desirable to have Consistency, High-Availability and Partition-tolerance in every system, unfortunately no system can achieve all three at the same time.
在分布式系统的设计中，没有一种设计可以同时满足一致性，可用性，分区容错性 3个特性

注意：不要将弱一致性，最终一致性放到CAP理论里混为一谈（混淆概念的坑真多）
弱一致性，最终一致性 你可以认为和CAP的C一点关系也没有，因为CAP的C是更新操作完成后，任何节点看到的数据完全一致, 弱一致性。最终一致性本身和CAP的C一致性是违背的，所以你可以看到那些谎称自己系统同时具备CAP 3个特性是多么的可笑，可能国内更多的场景是：一个开放人员一旦走上讲台演讲，就立马转变为了营销人员，连最基本的理念也不要了。
这里有一篇标题很大的文章 cap-twelve-years-later-how-the-rules-have-changed ，实际上本文的changed更多的是在思考方式上，而本身CAP理论是没有changed的

为什么会是这样
我们来看一个简单的问题, 一个DB服务 搭建在两个机房（北京,广州)，两个DB实例同时提供写入和读取

1. 假设DB的更新操作是同时写北京和广州的DB都成功才返回成功
   在没有出现网络故障的时候，满足CA原则，C 即我的任何一个写入，更新操作成功并返回客户端完成后,分布式的所有节点在同一时间的数据完全一致， A 即我的读写操作都能够成功，但是当出现网络故障时，我不能同时保证CA，即P条件无法满足

2. 假设DB的更新操作是只写本地机房成功就返回，通过binlog/oplog回放方式同步至侧边机房
   这种操作保证了在出现网络故障时,双边机房都是可以提供服务的，且读写操作都能成功，意味着他满足了AP ，但是它不满足C，因为更新操作返回成功后，双边机房的DB看到的数据会存在短暂不一致，且在网络故障时，不一致的时间差会很大（仅能保证最终一致性）

3. 假设DB的更新操作是同时写北京和广州的DB都成功才返回成功且网络故障时提供降级服务
   降级服务，如停止写入，只提供读取功能，这样能保证数据是一致的，且网络故障时能提供服务，满足CP原则，但是他无法满足可用性原则

选择权衡
通过上面的例子，我们得知，我们永远无法同时得到CAP这3个特性，那么我们怎么来权衡选择呢？
选择的关键点取决于业务场景

对于大多数互联网应用来说（如网易门户），因为机器数量庞大，部署节点分散，网络故障是常态，可用性是必须需要保证的，所以只有设置一致性来保证服务的AP，通常常见的高可用服务吹嘘5个9 6个9服务SLA稳定性就本都是放弃C选择AP

对于需要确保强一致性的场景，如银行，通常会权衡CA和CP模型，CA模型网络故障时完全不可用，CP模型具备部分可用性，实际的选择需要通过业务场景来权衡（并不是所有情况CP都好于CA，只能查看信息不能更新信息有时候从产品层面还不如直接拒绝服务）

延伸
BASE(Basically Available, Soft State, Eventual Consistency 基本可用、软状态、最终一致性) 对CAP AP理论的延伸, Redis等众多系统构建与这个理论之上
ACID 传统数据库常用的设计理念, ACID和BASE代表了两种截然相反的设计哲学，分处一致性-可用性分布图谱的两极。

分布式系统的典型应用

分布式系统是一个非常广泛的概念，以算法来分：

1. 以 leader 选举为主的一类算法：Paxos、viewstamp，就是现在的 zookeeper、Chuby 等工具的主体。
2. 以分布式事务为主的一类，主要是二段提交，这些分布式数据库管理器及数据库都支持
3. 以弱一致性为主的，主要代表是 Cassandra 的 W、R、N 可调节的一致性。
4. 以租赁机制为主的，主要是一些分布式锁的概念，目前还没有看到纯粹的分布式锁的实现。
5. 以失败探测为主的，主要是 Gossip 和 phi 失败探测算法，当然也包括简单的心跳。
6. 以弱一致性、因果一致性为主。
7. 以异步解耦为主，还有各类的 Queue。