系統架構師知識：什么是CAP

　　CAP、BASE理論是當前在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域非常流行的NoSQL的理論基礎。那么什么是CAP呢?我們一起來(lái)了解一下!

　　1、什么是CAP

　　著(zhù)名的CAP理論是由Brewer提出的，所謂CAP，即一致性(Consistency)、可用性(Availability)和分區容錯性(Partition Tolerance)。

　　(1)、Consistency(一致性)：更新操作成功并返回客戶(hù)端完成后,分布式的所有節點(diǎn)在同一時(shí)間的數據完全一致(All nodes see the same data at the same time)。

　　這里的一致性，一定要和傳統的RDBMS中的事務(wù)一致性區分開(kāi)。

　　在傳統的RDBMS中，事務(wù)具有ACID4個(gè)屬性，即原子性(Atomicity)，一致性(Consistency)，隔離性(Isolation)和持久性(Durable)。

　　ACID是關(guān)系型數據庫的最基本原則，遵循ACID原則強調一致性，對成本要求很高，對性能影響很大。

　　a、原子性(Atomicity)：事務(wù)是一個(gè)原子操作單元，其對數據的修改，要么全都執行，要么全都不執行。

　　b、一致性(Consistency)：在事務(wù)開(kāi)始和完成時(shí)，數據都必須保持一致?tīng)顟B(tài)。這意味著(zhù)所有相關(guān)的數據規則都必須應用于事務(wù)的修改，以保持數據的完整性;事務(wù)結束時(shí)，所有的內部數據結構(如B樹(shù)索引或雙向鏈表)也都必須是正確的。

　　c、隔離性(Isolation)：數據庫系統提供一定的隔離機制，保證事務(wù)在不受外部并發(fā)操作影響的“獨立”環(huán)境執行。這意味著(zhù)事務(wù)處理過(guò)程中的中間狀態(tài)對外部是不可見(jiàn)的，反之亦然。

　　d、持久性(Durability)：事務(wù)完成之后，它對于數據的修改是永久性的，即使出現系統故障也能夠保持。

　　MIT的Gilbert和Lynch在證明CAP的過(guò)程中改變了Consistency的概念，也就是將Consistency轉化為Atomic。Gilbert認為這里所說(shuō)的Consistency其實(shí)就是數據庫系統中提到的ACID的另一種表述：一個(gè)用戶(hù)請求要么成功、要么失敗，不能處于中間狀態(tài)(Atomic);一旦一個(gè)事務(wù)完成，將來(lái)的所有事務(wù)都必須基于這個(gè)完成后的狀態(tài)(Consistent);未完成的事務(wù)不會(huì )互相影響(Isolated);一旦一個(gè)事務(wù)完成，就是持久的(Durable)。

　　(2)、Availability(可用性)：讀和寫(xiě)操作都能成功(Reads and writes always succeed)。

　　可用性是說(shuō)服務(wù)能一直保證是可用的狀態(tài)，當用戶(hù)發(fā)出一個(gè)請求，服務(wù)能在有限時(shí)間內返回結果，所有的請求都能“成功”拿到對應的響應。

　　(3)、Partition Tolerance(分區容錯性)：在出現網(wǎng)絡(luò )故障導致分布式節點(diǎn)間不能通信時(shí)，系統能否繼續服務(wù)(The system continues to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the system)。

　　直觀(guān)感受就是系統中節點(diǎn)crash或者網(wǎng)絡(luò )分片都不應該導致一個(gè)分布式系統停止服務(wù)。

　　2、如何證明CAP?

　　CAP的證明很簡(jiǎn)單：

　　假設兩個(gè)節點(diǎn)集{G1, G2}，由于網(wǎng)絡(luò )分片導致G1和G2之間所有的通訊都斷開(kāi)了。

　　如果在G1中寫(xiě)，在G2中讀剛寫(xiě)的數據， G2中返回的值不可能是剛剛在G1中的寫(xiě)值。

　　對于分布式數據系統而言，分區容錯性(Partition Tolerance)是基本要求，否則就不稱(chēng)其為分布式系統。

　　由于可用性(Availability)的要求，G2一定要返回這次讀請求，因為分區容錯性(Partition Tolerance)的存在，導致一致性(Consistency)一定是不可滿(mǎn)足的。

　　CAP理論告訴我們，一個(gè)分布式系統不可能同時(shí)滿(mǎn)足一致性，可用性和分區容錯性這三個(gè)需求，三個(gè)要素中最多只能同時(shí)滿(mǎn)足兩點(diǎn)。

　　顯然,任何橫向擴展策略都要依賴(lài)于數據分區，軟件架構通常必須在一致性(Consistency)與可用性(Availability)之間做出選擇。

　　3、CAP的延伸BASE

　　BASE是Basically Available、Soft state、Eventually consistent三個(gè)詞組的簡(jiǎn)寫(xiě)，是對CAP中C 和A的延伸。

　　(1)Basically Available：基本可用，即數據一致性能夠基本滿(mǎn)足二八定律，即至少保證80%一致性，剩下20%就不要過(guò)于糾結。

　　(2)Soft-state：軟狀態(tài)/柔性事務(wù)，即狀態(tài)可以有一段時(shí)間的不同步。

　　在不過(guò)分追求數據一致性(強一致性)前提下可考慮軟狀態(tài)策略，例如把數據(State)緩存在客戶(hù)端一段時(shí)間，在一段時(shí)間過(guò)后，如果客戶(hù)端沒(méi)有再次刷新?tīng)顟B(tài)的請求的話(huà)，就清除此緩存(Soft)，這個(gè)狀態(tài)就會(huì )消失。

　　(3)Eventual consistency：最終一致性，即在某一段短時(shí)間內允許數據不一致，但經(jīng)過(guò)一段較長(cháng)時(shí)間(這里的一段時(shí)間多數是業(yè)務(wù)能夠容忍的延遲)，等所有節點(diǎn)上數據的拷貝都整合在一起的時(shí)候，數據會(huì )最終達到完全一致。我用自己的經(jīng)驗和親身實(shí)踐證明，最終一致性貫穿著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)尤其是電子商務(wù)類(lèi)型的主要應用的生命周期。

　　BASE來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng)的電子商務(wù)領(lǐng)域的實(shí)踐，它是基于CAP理論逐步演化而來(lái)，核心思想是即便不能達到強一致性(Strong Consistency)，但可以根據應用特點(diǎn)采用適當的方式來(lái)達到最終一致性(Eventual consistency)的效果。BASE是反ACID的，它完全不同于A(yíng)CID模型，犧牲強一致性，獲得基本可用性和柔性可靠性并要求達到最終一致性。

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