分布式CAP定理

根据百度百科的定义，CAP定理又称CAP原则，指的是在一个分布式系统中，Consistency（一致性）、 Availability（可用性）、Partition tolerance（分区容错性），最多只能同时三个特性中的两个，三者不可兼得。

一、CAP的定义
Consistency (一致性)：

“all nodes see the same data at the same time”,即更新操作成功并返回客户端后，所有节点在同一时间的数据完全一致，这就是分布式的一致性。一致性的问题在并发系统中不可避免，对于客户端来说，一致性指的是并发访问时更新过的数据如何获取的问题。从服务端来看，则是更新如何复制分布到整个系统，以保证数据最终一致。

Availability (可用性):

可用性指“Reads and writes always succeed”，即服务一直可用，而且是正常响应时间。好的可用性主要是指系统能够很好的为用户服务，不出现用户操作失败或者访问超时等用户体验不好的情况。

Partition Tolerance (分区容错性):

即分布式系统在遇到某节点或网络分区故障的时候，仍然能够对外提供满足一致性和可用性的服务。

分区容错性要求能够使应用虽然是一个分布式系统，而看上去却好像是在一个可以运转正常的整体。比如现在的分布式系统中有某一个或者几个机器宕掉了，其他剩下的机器还能够正常运转满足系统需求，对于用户而言并没有什么体验上的影响。

上图中，G1 和 G2 是两台跨区的服务器。G1 向 G2 发送一条消息，G2 可能无法收到。系统设计的时候，必须考虑到这种情况。

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

二、Partition tolerance

先看 Partition tolerance，中文叫做"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。

上图中，G1 和 G2 是两台跨区的服务器。G1 向 G2 发送一条消息，G2 可能无法收到。系统设计的时候，必须考虑到这种情况。

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

三、Consistency

Consistency 中文叫做"一致性"。意思是，写操作之后的读操作，必须返回该值。举例来说，某条记录是 v0，用户向 G1 发起一个写操作，将其改为 v1。

接下来，用户的读操作就会得到 v1。这就叫一致性。

问题是，用户有可能向 G2 发起读操作，由于 G2 的值没有发生变化，因此返回的是 v0。G1 和 G2 读操作的结果不一致，这就不满足一致性了。

为了让 G2 也能变为 v1，就要在 G1 写操作的时候，让 G1 向 G2 发送一条消息，要求 G2 也改成 v1。

这样的话，用户向 G2 发起读操作，也能得到 v1。

四、Availability

Availability 中文叫做"可用性"，意思是只要收到用户的请求，服务器就必须给出回应。

用户可以选择向 G1 或 G2 发起读操作。不管是哪台服务器，只要收到请求，就必须告诉用户，到底是 v0 还是 v1，否则就不满足可用性。

五、Consistency 和 Availability 的矛盾

一致性和可用性，为什么不可能同时成立？答案很简单，因为可能通信失败（即出现分区容错）。

如果保证 G2 的一致性，那么 G1 必须在写操作时，锁定 G2 的读操作和写操作。只有数据同步后，才能重新开放读写。锁定期间，G2 不能读写，没有可用性不。

如果保证 G2 的可用性，那么势必不能锁定 G2，所以一致性不成立。

综上所述，G2 无法同时做到一致性和可用性。系统设计时只能选择一个目标。如果追求一致性，那么无法保证所有节点的可用性；如果追求所有节点的可用性，那就没法做到一致性。

读者问，在什么场合，可用性高于一致性？

举例来说，发布一张网页到 CDN，多个服务器有这张网页的副本。后来发现一个错误，需要更新网页，这时只能每个服务器都更新一遍。

一般来说，网页的更新不是特别强调一致性。短时期内，一些用户拿到老版本，另一些用户拿到新版本，问题不会特别大。当然，所有人最终都会看到新版本。所以，这个场合就是可用性高于一致性。

六、取舍策略

CAP三个特性只能满足其中两个，那么取舍的策略就共有三种：

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。但放弃P的同时也就意味着放弃了系统的扩展性，也就是分布式节点受限，没办法部署子节点，这是违背分布式系统设计的初衷的。

CP without A：如果不要求A（可用），相当于每个请求都需要在服务器之间保持强一致，而P（分区）会导致同步时间无限延长(也就是等待数据同步完才能正常访问服务)，一旦发生网络故障或者消息丢失等情况，就要牺牲用户的体验，等待所有数据全部一致了之后再让用户访问系统。设计成CP的系统其实不少，最典型的就是分布式数据库，如Redis、HBase等。对于这些分布式数据库来说，数据的一致性是最基本的要求，因为如果连这个标准都达不到，那么直接采用关系型数据库就好，没必要再浪费资源来部署分布式数据库。

举例来说，发布一张网页到 CDN，多个服务器有这张网页的副本。后来发现一个错误，需要更新网页，这时只能每个服务器都更新一遍。

一般来说，网页的更新不是特别强调一致性。短时期内，一些用户拿到老版本，另一些用户拿到新版本，问题不会特别大。当然，所有人最终都会看到新版本。所以，这个场合就是可用性高于一致性。

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。典型的应用就如某米的抢购手机场景，可能前几秒你浏览商品的时候页面提示是有库存的，当你选择完商品准备下单的时候，系统提示你下单失败，商品已售完。这其实就是先在 A（可用性）方面保证系统可以正常的服务，然后在数据的一致性方面做了些牺牲，虽然多少会影响一些用户体验，但也不至于造成用户购物流程的严重阻塞。

举例来说，拿银行的转账系统来说，涉及到金钱的对于数据一致性不能做出一丝的让步，C必须保证，出现网络故障的话，宁可停止服务

七、实践中的取舍

1、满足一致性，可用性的系统，通常在可扩展性上不太强大，例如下面的产品：

Traditional RDBMSs like Postgres,MySQL, etc (relational)

Vertica (column-oriented)

Aster Data (relational)

Greenplum (relational)

2、满足一致性，分区容忍必的系统，通常用户操作响应上不太稳定，例如下面的产品：

BigTable (column-oriented/tabular)

Hypertable (column-oriented/tabular)

HBase (column-oriented/tabular)

MongoDB (document-oriented)

Terrastore (document-oriented)

Redis (key-value)

Scalaris (key-value)

MemcacheDB (key-value)

Berkeley DB (key-value)

3、满足可用性，分区容忍性的系统，通常可能对一致性要求低一些，例如下面的产品：

Dynamo (key-value)

Voldemort (key-value)

Tokyo Cabinet (key-value)

KAI (key-value)

Cassandra (column-oriented/tabular)

CouchDB (document-oriented)

SimpleDB (document-oriented)

Riak (document-oriented)

八、CAP的反对声音

Guy Pardon写了一篇文章“A CAP Solution (Proving Brewer Wrong)”来反对CAP理论。他提出了一个同时满足CAP的解决方案来反对Brewer的三者只能取其二的说法。

他设计的系统如下：

(1)程序如果能够读取数据库的话读取数据库，如果不能的话可以使用缓存代替。

(2)所有的读取操作使用版本号或者其他可以使用乐观锁的机制。

(3)客户端的所有更新操作全部放在队列中顺序处理。更新操作中要包括该更新的读取操作时的版本信息。

(4)当分区数量足够少的时候，可以处理队列中的更新操作。比较简单的方式是建立一个跨越所有分布式副本的事务，对每个副本进行更新操作（其他方式比如quorum等等也可以）。如果该更新的读取操作时的版本信息不是当前数据库中数据的版本信息，则将失败返回给客户端，否则返回成功。

(5)数据库操作结果（确认或者取消）通过异步的方式发送到客户端，可以通过邮件，消息队列或者其他异步方式。

该系统符合CAP如下：

符合C（高一致性）：读取的数据都是基于快照的，而且错误的更新操作不会执行。

符合A（高可用性）：读取和更新都会返回数据。

符合P（高分区容错性）：允许网络或者节点出错。

该设计是符合BASE理论的。

参考资料：

http://www.julianbrowne.com/article/viewer/brewers-cap-theorem

http://www.sigma.me/2011/06/13/NoSQL-CAP-Theorem.html

http://blog.nosqlfan.com/html/1112.html

http://guysblogspot.blogspot.com/2008/09/cap-solution-proving-brewer-wrong.html

https://blog.csdn.net/godfrey90/article/details/6754884