分布式系統(tǒng)的 CAP 定理與 Base 理論

作者：GoQeng 2021-03-11 07:27:15

開發(fā)

前端

分布式 最近在總結(jié)之前面試騰訊財付通考察注冊中心的知識點，但寫著寫著發(fā)現(xiàn)有很多功能點需要基礎(chǔ)理論鋪墊，因此決定先總結(jié)分布式系統(tǒng)中常用的理論，方便后續(xù)對面試考察點的理解。

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最近在總結(jié)之前面試騰訊財付通考察注冊中心的知識點，但寫著寫著發(fā)現(xiàn)有很多功能點需要基礎(chǔ)理論鋪墊，因此決定先總結(jié)分布式系統(tǒng)中常用的理論，方便后續(xù)對面試考察點的理解。

什么是 CAP ?

CAP 理論作為分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論,它描述的是一個分布式系統(tǒng)在以下三個特性中：

• 一致性(Consistency)
• 可用性(Availability)
• 分區(qū)容錯性(Partition Tolerance)

最多滿足其中的兩個特性，也就是下圖所描述的：分布式系統(tǒng)要么滿足 CA，要么 CP，要么 AP，而無法同時滿足 CAP。

分區(qū)容錯性：指分布式系統(tǒng)中的某個節(jié)點或網(wǎng)絡分區(qū)出現(xiàn)了故障時，整個系統(tǒng)仍然能對外提供滿足一致性和可用性的服務，也就是說部分故障不影響整體使用。

可用性：系統(tǒng)一直可以正常地做讀寫操作，簡單而言就是客戶端一直可以正常訪問并得到系統(tǒng)的正常響應，從用戶角度來看是不會出現(xiàn)系統(tǒng)操作失敗或者訪問超時等問題。

一致性：在分布式系統(tǒng)完成某寫操作后任何讀操作，都應該獲取到該寫操作寫入的那個最新的值。相當于要求分布式系統(tǒng)中的各節(jié)點時時刻刻保持數(shù)據(jù)的一致性。

如何理解 CAP ?

首先在保證了分區(qū)容錯性的前提下，意味著若某個節(jié)點故障了，用戶還可以繼續(xù)訪問，但這時用戶在訪問過程中就會出現(xiàn)一致性和可用性不能同時滿足的情況，如下圖：

情景一：

假設分布式系統(tǒng)有 S0、S1 兩個節(jié)點，節(jié)點中的變量初始值都是 v0，現(xiàn)在有一個客戶端向系統(tǒng)寫入了新值 v1，這里假設直接寫的是節(jié)點 S0，寫完之后客戶端再去讀取這個值，但此時讀到了 S1 節(jié)點的。

由于 S1 節(jié)點與 S0 節(jié)點失去通信，此時 S0 節(jié)點的數(shù)據(jù)還未同步到 S1 節(jié)點，因此客戶端讀取到的是舊的值 v0，這就出現(xiàn)不滿足一致性的情況，即滿足了可用性，失去了一致性。

情景二：

類似的，如果系統(tǒng)保證了強一致性，那么在客戶端往 S0 節(jié)點寫完數(shù)據(jù)后，S0 向 S1 節(jié)點同步數(shù)據(jù)出現(xiàn)了問題，此時如果客戶端再去讀取 S1 節(jié)點的數(shù)據(jù)，客戶端就會一直處于等待狀態(tài)，因為系統(tǒng)各節(jié)點的數(shù)據(jù)未同步完，需要等同步完才能使用，即滿足了一致性，而失去了可用性。

情景三：

當多個客戶端訪問的情況時，一致性與可用性可這么理解：假設客戶端1 向 S0 修改某個值的時候, 寫操作還未完成，客戶端2就發(fā)起來對該值的讀操作，但讀取的是 S1 節(jié)點的值，這時如果要滿足一致性，就得讓客戶端1暫時無法使用，如果要讓客戶端2可使用，那么獲取的數(shù)據(jù)不是最新的，系統(tǒng)就不滿足一致性。

CAP 三者不可得兼，如何取舍 ?

CA：優(yōu)先保證一致性和可用性，放棄分區(qū)容錯。這也意味著放棄系統(tǒng)的擴展性，系統(tǒng)不再是分布式的，有違設計的初衷。

CP：優(yōu)先保證一致性和分區(qū)容錯性，放棄可用性。在數(shù)據(jù)一致性要求比較高的場合，例如：Zookeeper、Hbase 等是比較常見的做法，一旦發(fā)生網(wǎng)絡故障或者消息丟失，就會犧牲用戶體驗，等恢復之后用戶才逐漸能訪問。

AP：優(yōu)先保證可用性和分區(qū)容錯性，放棄一致性。在 Spring Cloud 體系中使用的 Eureka 注冊中心就是這種架構(gòu)，但放棄一致性只是指放棄強一致性，保證最終一致性。

什么是 BASE 理論 ?

BASE 全稱是 Basically Available(基本可用)、Soft State(軟狀態(tài))和 Eventually Consistent(最終一致性)三個短語的縮寫，來自 ebay 的架構(gòu)師提出。

Base 理論是對 CAP 中一致性和可用性權(quán)衡的結(jié)果，其來源于對大型互聯(lián)網(wǎng)分布式實踐的總結(jié)，是基于 CAP 定理逐步演化而來的。

其核心思想是：既然無法做到強一致性，但每個應用都可以根據(jù)自身的業(yè)務特點，采用適當?shù)姆绞絹硎瓜到y(tǒng)達到最終一致性。

Basically Available(基本可用)

基本可用就是假設系統(tǒng)某個模塊出現(xiàn)了不可預知的故障，但其他模塊依舊可用，例如商城雙十一活動時，評論模塊出現(xiàn)故障，但不會影響交易、商品等核心模塊的流程使用。

Soft State(軟狀態(tài))

軟狀態(tài)指的是允許系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存在中間狀態(tài)，并認為該狀態(tài)不影響系統(tǒng)的整體可用性，即允許系統(tǒng)在多個不同節(jié)點的數(shù)據(jù)副本存在數(shù)據(jù)延時。

用戶在商城下單時，因網(wǎng)絡超時等因素，訂單處于“支付中”的狀態(tài)，待數(shù)據(jù)最終一致后狀態(tài)將變更為“關(guān)閉”或“成功”狀態(tài)。

Eventually Consistent(最終一致性)

上面講到的軟狀態(tài)不可能一直是軟狀態(tài)，必須有時間期限。在期限過后，應當保證所有副本保持數(shù)據(jù)一致性，從而達到數(shù)據(jù)的最終一致性，因此所有客戶端對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問最終都能夠獲取到最新的值，而這個時間期限取決于網(wǎng)絡延時，系統(tǒng)負載，數(shù)據(jù)復制方案等因素。

在 CAP 中的一致性要求在任何時間查詢每個節(jié)點數(shù)據(jù)都必須一致，它強調(diào)的是強一致性，而最終一致性是允許在一段時間內(nèi)每個節(jié)點的數(shù)據(jù)不一致，但是經(jīng)過一段時間每個節(jié)點的數(shù)據(jù)必須一致，它強調(diào)的是最終數(shù)據(jù)的一致性。

在實際情景中，最終一致性分為 5 種：

1. 因果一致性(Causal consistency)

如果節(jié)點 A 在更新完某個數(shù)據(jù)后通知了節(jié)點 B，那么節(jié)點 B 之后對該數(shù)據(jù)的訪問和修改都是基于 A 更新后的值，但對和節(jié)點 A 無因果關(guān)系的節(jié)點 C 的數(shù)據(jù)訪問則沒這限制。

2. 讀己之所寫(Read your writes)

節(jié)點 A 更新一個數(shù)據(jù)后，它自身總是能訪問到自身更新過的最新值，而不會看到舊值。

3. 會話一致性(Session consistency)

會話一致性將對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的訪問過程限定在一個會話當中：系統(tǒng)能保證在同一個有效的會話中實現(xiàn) “讀己之所寫” 的一致性，也就是說，執(zhí)行更新操作之后，客戶端能夠在同一個會話中始終讀取到該數(shù)據(jù)項的最新值。

4. 單調(diào)讀一致性( Read consistency)

單調(diào)讀一致性指如果一個節(jié)點從系統(tǒng)中讀取出一個數(shù)據(jù)項的某個值后，那么系統(tǒng)對于該節(jié)點后續(xù)的任何數(shù)據(jù)訪問都不應該返回更舊的值。

5. 單調(diào)寫一致性(Write consistency)

指一個系統(tǒng)要能夠保證來自同一個節(jié)點的寫操作被順序的執(zhí)行。

對于上面的 5 種最終一致性，在實際系統(tǒng)中往往會結(jié)合使用，以構(gòu)建一個具有最終一致性的分布式系統(tǒng)。

實際上，不只是分布式系統(tǒng)使用最終一致性，在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的某個功能上，也是使用最終一致性的，比如數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)庫主從復制等過程是需要時間的。

在復制過程中，業(yè)務讀取從服務器的值是舊的，經(jīng)過一定時間后，主從服務器才會達成數(shù)據(jù)一致性，這也是最終一致性的經(jīng)典案例。

最后總結(jié)

總的來說，BASE 理論面向的是大型高可用可擴展的分布式系統(tǒng)，和傳統(tǒng)事務的 ACID 是相反的，它完全不同于 ACID 的強一致性模型，而是通過犧牲強一致性來獲得可用性，并允許數(shù)據(jù)在一段時間是不一致的。

當前標題：分布式系統(tǒng)的CAP定理與BASE理論
網(wǎng)頁URL：http://m.5511xx.com/article/cdgssop.html