分布式学习笔记一：CAP 定理的含义

不念不忘少年蓝@ 2022-05-15 14:51 207阅读 0赞

分布式系统（distributed system）正变得越来越重要，大型网站几乎都是分布式的。

分布式系统的最大难点，就是各个节点的状态如何同步。CAP 定理是这方面的基本定理，也是理解分布式系统的起点。

本文介绍该定理。它其实很好懂，而且是显而易见的。下面的内容主要参考了 Michael Whittaker 的[文章][Link 1]。

## 一、分布式系统的三个指标 ##

![bg2018071607.jpg][]

1998年，加州大学的计算机科学家 Eric Brewer 提出，分布式系统有三个指标。

>  *  Consistency
>  *  Availability
>  *  Partition tolerance

它们的第一个字母分别是 C、A、P。

Eric Brewer 说，这三个指标不可能同时做到。这个结论就叫做 CAP 定理。

## 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。

![bg2018071601.png][]

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。

![bg2018071602.png][]

接下来，用户的读操作就会得到 v1。这就叫一致性。

![bg2018071603.png][]

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。

![bg2018071604.png][]

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。

![bg2018071605.png][]

这样的话，用户向 G2 发起读操作，也能得到 v1。

![bg2018071606.png][]

## 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。

（完）

[Link 1]: https://mwhittaker.github.io/blog/an_illustrated_proof_of_the_cap_theorem/
[bg2018071607.jpg]: /images/20220503/84b68342065a4eb0a2b31f0b0caf7ef8.png
[bg2018071601.png]: /images/20220503/e4fde4dbf2c2459d9b49a211918a450a.png
[bg2018071602.png]: /images/20220503/f382141fa8fa4c0d92ad282a6635f30c.png
[bg2018071603.png]: /images/20220503/2ab4e32ab8b645bbbc2d806206a9885a.png
[bg2018071604.png]: /images/20220503/ef1e801b0eb4486392bb555ff381fe99.png
[bg2018071605.png]: /images/20220503/b392e88a7a4141d0b50366d4fea68099.png
[bg2018071606.png]: /images/20220503/b9ab5af4705247d0924b22162301dc10.png