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系統(tǒng)架構師知識:什么是CAP
CAP、BASE理論是當前在互聯(lián)網(wǎng)領域非常流行的NoSQL的理論基礎。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中的事務一致性區(qū)分開。
在傳統(tǒng)的RDBMS中,事務具有ACID4個屬性,即原子性(Atomicity),一致性(Consistency),隔離性(Isolation)和持久性(Durable)。
ACID是關系型數(shù)據(jù)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)。這意味著所有相關的數(shù)據(jù)規(guī)則都必須應用于事務的修改,以保持數(shù)據(jù)的完整性;事務結束時,所有的內部數(shù)據(jù)結構(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轉化為Atomic。Gilbert認為這里所說的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);一旦一個事務完成,將來的所有事務都必須基于這個完成后的狀態(tài)(Consistent);未完成的事務不會互相影響(Isolated);一旦一個事務完成,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)。
可用性是說服務能一直保證是可用的狀態(tài),當用戶發(fā)出一個請求,服務能在有限時間內返回結果,所有的請求都能“成功”拿到對應的響應。
(3)、Partition Tolerance(分區(qū)容錯性):在出現(xiàn)網(wǎng)絡故障導致分布式節(jié)點間不能通信時,系統(tǒng)能否繼續(xù)服務(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)絡分片都不應該導致一個分布式系統(tǒng)停止服務。
2、如何證明CAP?
CAP的證明很簡單:
假設兩個節(jié)點集{G1, G2},由于網(wǎng)絡分片導致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。
(2)Soft-state:軟狀態(tài)/柔性事務,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)尤其是電子商務類型的主要應用的生命周期。
BASE來自于互聯(lián)網(wǎng)的電子商務領域的實踐,它是基于CAP理論逐步演化而來,核心思想是即便不能達到強一致性(Strong Consistency),但可以根據(jù)應用特點采用適當?shù)姆绞絹磉_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到最終一致性。
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