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CAP 理论是针对分布式数据库而言的,它是指在一个分布式系统中,一致性(Consistency, C)、可用性(Availability, A)、分区容错性(Partition Tolerance, P)三者不可兼得。
一致性是指“all nodes see the same data at the same time”,即更新操作成功后,所有节点在同一时间的数据完全一致。
一致性可以分为客户端和服务端两个不同的视角:
一致性是在并发读写时才会出现的问题,因此在理解一致性的问题时,一定要注意结合考虑并发读写的场景。
可用性是指“reads and writes always succeed”,即用户访问数据时,系统是否能在正常响应时间返回结果。
好的可用性主要是指系统能够很好地为用户服务,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。在通常情况下,可用性与分布式数据冗余、负载均衡等有着很大的关联。
分区容错性是指“the system continues to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the system”,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。
分区容错性和扩展性紧密相关。在分布式应用中,可能因为一些分布式的原因导致系统无法正常运转。分区容错性高指在部分节点故障或出现丢包的情况下,集群系统仍然能提供服务,完成数据的访问。分区容错可视为在系统中采用多副本策略。
CAP 理论认为分布式系统只能兼顾其中的两个特性,即出现 CA、CP、AP 三种情况,如图所示。
如果不要求 Partition Tolerance,即不允许分区,则强一致性和可用性是可以保证的。其实分区是始终存在的问题,因此 CA 的分布式系统更多的是允许分区后各子系统依然保持 CA。
如果不要求可用性,相当于每个请求都需要在各服务器之间强一致,而分区容错性会导致同步时间无限延长,如此 CP 也是可以保证的。很多传统的数据库分布式事务都属于这种模式。
如果要可用性高并允许分区,则需放弃一致性。一旦分区发生,节点之间可能会失去联系,为了实现高可用,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。
在实践中,可根据实际情况进行权衡,或者在软件层面提供配置方式,由用户决定如何选择 CAP 策略。
CAP 理论可用在不同的层面,可以根据 CAP 原理定制局部的设计策略,例如,在分布式系统中,每个节点自身的数据是能保证 CA 的,但在整体上又要兼顾 AP 或 CP。
对于一个分布式系统而言,P是前提,必须保证,因为只要有网络交互就一定会有延迟和数据丢失,这种状况我们必须接受,必须保证系统不能挂掉。所以只剩下C、A可以选择。要么保证数据一致性(保证数据绝对正确),要么保证可用性(保证系统不出错)。
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