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系統(tǒng)架構(gòu)師知識：什么是CAP
CAP、BASE理論是當(dāng)前在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域非常流行的NoSQL的理論基礎(chǔ)。那么什么是CAP呢?我們一起來了解一下!
1、什么是CAP
著名的CAP理論是由Brewer提出的，所謂CAP，即一致性(Consistency)、可用性(Availability)和分區(qū)容錯性(Partition Tolerance)。
(1)、Consistency(一致性)：更新操作成功并返回客戶端完成后,分布式的所有節(jié)點在同一時間的數(shù)據(jù)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(tǒng)的RDBMS中的事務(wù)一致性區(qū)分開。
在傳統(tǒng)的RDBMS中，事務(wù)具有ACID4個屬性，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(shù)據(jù)庫的最基本原則，遵循ACID原則強調(diào)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)是一個原子操作單元，其對數(shù)據(jù)的修改，要么全都執(zhí)行，要么全都不執(zhí)行。
b、一致性(Consistency)：在事務(wù)開始和完成時，數(shù)據(jù)都必須保持一致狀態(tài)。這意味著所有相關(guān)的數(shù)據(jù)規(guī)則都必須應(yīng)用于事務(wù)的修改，以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性;事務(wù)結(jié)束時，所有的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如B樹索引或雙向鏈表)也都必須是正確的。
c、隔離性(Isolation)：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)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(zhí)行。這意味著事務(wù)處理過程中的中間狀態(tài)對外部是不可見的，反之亦然。
d、持久性(Durability)：事務(wù)完成之后，它對于數(shù)據(jù)的修改是永久性的，即使出現(xiàn)系統(tǒng)故障也能夠保持。
MIT的Gilbert和Lynch在證明CAP的過程中改變了Consistency的概念，也就是將Consistency轉(zhuǎn)化為Atomic。Gilbert認(rèn)為這里所說的Consistency其實就是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中提到的ACID的另一種表述：一個用戶請求要么成功、要么失敗，不能處于中間狀態(tài)(Atomic);一旦一個事務(wù)完成，將來的所有事務(wù)都必須基于這個完成后的狀態(tài)(Consistent);未完成的事務(wù)不會互相影響(Isolated);一旦一個事務(wù)完成，就是持久的(Durable)。
(2)、Availability(可用性)：讀和寫操作都能成功(Reads and writes always succeed)。
可用性是說服務(wù)能一直保證是可用的狀態(tài)，當(dāng)用戶發(fā)出一個請求，服務(wù)能在有限時間內(nèi)返回結(jié)果，所有的請求都能“成功”拿到對應(yīng)的響應(yīng)。
(3)、Partition Tolerance(分區(qū)容錯性)：在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致分布式節(jié)點間不能通信時，系統(tǒng)能否繼續(xù)服務(wù)(The system continues to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the system)。
直觀感受就是系統(tǒng)中節(jié)點crash或者網(wǎng)絡(luò)分片都不應(yīng)該導(dǎo)致一個分布式系統(tǒng)停止服務(wù)。
2、如何證明CAP?
CAP的證明很簡單：
假設(shè)兩個節(jié)點集{G1, G2}，由于網(wǎng)絡(luò)分片導(dǎo)致G1和G2之間所有的通訊都斷開了。
如果在G1中寫，在G2中讀剛寫的數(shù)據(jù)， G2中返回的值不可能是剛剛在G1中的寫值。
對于分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)而言，分區(qū)容錯性(Partition Tolerance)是基本要求，否則就不稱其為分布式系統(tǒng)。
由于可用性(Availability)的要求，G2一定要返回這次讀請求，因為分區(qū)容錯性(Partition Tolerance)的存在，導(dǎo)致一致性(Consistency)一定是不可滿足的。
CAP理論告訴我們，一個分布式系統(tǒng)不可能同時滿足一致性，可用性和分區(qū)容錯性這三個需求，三個要素中最多只能同時滿足兩點。
顯然,任何橫向擴展策略都要依賴于數(shù)據(jù)分區(qū)，軟件架構(gòu)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三個詞組的簡寫，是對CAP中C 和A的延伸。
(1)Basically Available：基本可用，即數(shù)據(jù)一致性能夠基本滿足二八定律，即至少保證80%一致性，剩下20%就不要過于糾結(jié)。
(2)Soft-state：軟狀態(tài)/柔性事務(wù)，即狀態(tài)可以有一段時間的不同步。
在不過分追求數(shù)據(jù)一致性(強一致性)前提下可考慮軟狀態(tài)策略，例如把數(shù)據(jù)(State)緩存在客戶端一段時間，在一段時間過后，如果客戶端沒有再次刷新狀態(tài)的請求的話，就清除此緩存(Soft)，這個狀態(tài)就會消失。
(3)Eventual consistency：最終一致性，即在某一段短時間內(nèi)允許數(shù)據(jù)不一致，但經(jīng)過一段較長時間(這里的一段時間多數(shù)是業(yè)務(wù)能夠容忍的延遲)，等所有節(jié)點上數(shù)據(jù)的拷貝都整合在一起的時候，數(shù)據(jù)會最終達(dá)到完全一致。我用自己的經(jīng)驗和親身實踐證明，最終一致性貫穿著互聯(lián)網(wǎng)尤其是電子商務(wù)類型的主要應(yīng)用的生命周期。
BASE來自于互聯(lián)網(wǎng)的電子商務(wù)領(lǐng)域的實踐，它是基于CAP理論逐步演化而來，核心思想是即便不能達(dá)到強一致性(Strong Consistency)，但可以根據(jù)應(yīng)用特點采用適當(dāng)?shù)姆绞絹磉_(dá)到最終一致性(Eventual consistency)的效果。BASE是反ACID的，它完全不同于ACID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(dá)到最終一致性。
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