虽然 CAP 理论定义是三个要素中只能取两个,但放到分布式环境下来思考,我们会发现必须选择 P(分区容忍)要素,因为网络本身无法做到 100% 可靠,有可能出故障,所以分区是一个必然的现象。
如果我们选择了 CA(一致性 + 可用性) 而放弃了 P(分区容忍性),那么当发生分区现象时,为了保证 C(一致性),系统需要禁止写入,当有写入请求时,系统返回 error(例如,当前系统不允许写入),这又和 A(可用性) 冲突了,因为 A(可用性)要求返回 no error 和 no timeout。
因此,分布式系统理论上不可能选择 CA (一致性 + 可用性)架构,只能选择 CP(一致性 + 分区容忍性) 或者 AP (可用性 + 分区容忍性)架构,在一致性和可用性做折中选择。 CP - Consistency + Partition Tolerance (一致性 + 分区容忍性)
如上图所示,因为Node1节点和Node2节点连接中断导致分区现象,Node1节点的数据已经更新到y,但是Node1 和 Node2 之间的复制通道中断,数据 y 无法同步到 Node2,Node2 节点上的数据还是旧数据x。
这时客户端C 访问 Node2 时,Node2 需要返回 Error,提示客户端 “系统现在发生了错误”,这种处理方式违
背了可用性(Availability)的要求,因此 CAP 三者只能满足 CP。 AP - Availability + Partition Tolerance (可用性 + 分区容忍性)
同样是Node2 节点上的数据还是旧数据x,这时客户端C 访问 Node2 时,Node2 将当前自己拥有的数据 x 返回给客户端 了,而实际上当前最新的数据已经是 y 了,这就不满足一致性(Consistency)的要求了,因此 CAP 三者只能满足 AP。
注意:这里 Node2 节点返回 x,虽然不是一个“正确”的结果,但是一个“合理”的结果,因为 x 是旧的数据,并不是一个错乱的值,只是不是最新的数据。
值得补充的是,CAP理论告诉我们分布式系统只能选择AP或者CP,但实际上并不是说整个系统只能选择AP或者CP,在 CAP 理论落地实践时,我们需要将系统内的数据按照不同的应用场景和要求进行分类,每类数据选择不同的策略(CP 还是 AP),而不是直接限定整个系统所有数据都是同一策略。
另外,只能选择CP或者AP是指系统发生分区现象时无法同时保证C(一致性)和A(可用性),但不是意味着什么都不做,当分区故障解决后,系统还是要保持保证CA。
CAP理论的延伸——BASE理论
BASE 是指基本可用(Basically Available)、软状态( Soft State)、最终一致性( Eventual Consistency),核心思想是即使无法做到强一致性(CAP 的一致性就是强一致性),但应用可以采用适合的方式达到最终一致性。
BA - Basically Available 基本可用
分布式系统在出现故障时,允许损失部分可用性,即保证核心可用。
这里的关键词是“部分”和“核心”,实际实践上,哪些是核心需要根据具体业务来权衡。例如登录功能相对注册功能更加核心,注册不了最多影响流失一部分用户,如果用户已经注册但无法登录,那就意味用户无法使用系统,造成的影响范围更大。
S - Soft State 软状态
允许系统存在中间状态,而该中间状态不会影响系统整体可用性。这里的中间状态就是 CAP 理论中的数据不一致。
E - Eventual Consistency 最终一致性
系统中的所有数据副本经过一定时间后,最终能够达到一致的状态。
这里的关键词是“一定时间” 和 “最终”,“一定时间”和数据的特性是强关联的,不同业务不同数据能够容忍的不一致时间是不同的。例如支付类业务是要求秒级别内达到一致,因为用户时时关注;用户发的最新微博,可以容忍30分钟内达到一致的状态,因为用户短时间看不到明星发的微博是无感知的。而“最终”的含义就是不管多长时间,最终还是要达到一致性的状态。
BASE 理论本质上是对 CAP 的延伸和补充,更具体地说,是对 CAP 中 AP 方案的一个补充:
在电商等互联网场景下,传统的事务在数据库性能和处理能力上都暴露出了瓶颈。在分布式领域基于CAP理论以及BASE理论,有人就提出了柔性事务的概念。
基于BASE理论的设计思想,柔性事务下,在不影响系统整体可用性的情况下(Basically Available 基本可用),允许系统存在数据不一致的中间状态(Soft State 软状态),在经过数据同步的延时之后,最终数据能够达到一致。并不是完全放弃了ACID,而是通过放宽一致性要求,借助本地事务来实现最终分布式事务一致性的同时也保证系统的吞吐。
实现柔性事务的一些特性