CAP原则和BASE理论

CAP原则和BASE理论

文章目录

引言CAP原则

分区容错性、可用性和一致性一致性与可用性的抉择取舍策略为什么不能全部满足 base理论

基本可用软状态最终一致性延伸

引言

随着分布式计算的发展，事物在分布式计算领域也得到了广泛的应用。在单机数据库中，我们很容易能够实现一套满足ACID特性的事物处理系统，但在分布式数据库中，数据分散在各台不同的机器上，如何对这些数据进行分布式的事物处理具有非常大的挑战。

CAP原则

CAP原则指的是在一个分布式系统中， Consistency（一致性）、 Availability（可用性）、Partition tolerance（分区容错性），三者不可得兼。
CAP原则是NOSQL数据库的基石。

分区容错性、可用性和一致性

分区容错性：指的是分布式系统中的某个节点或者网络分区出现了故障的时候，整个系统仍然能对外提供满足一致性和可用性的服务。也就是说部分故障不影响整体使用。

事实上我们在设计分布式系统是都会考虑到bug,硬件，网络等各种原因造成的故障，所以即使部分节点或者网络出现故障，我们要求整个系统还是要继续使用的

(不继续使用,相当于只有一个分区,那么也就没有后续的一致性和可用性了)

可用性： 一直可以正常的做读写 *** 作。简单而言就是客户端一直可以正常访问并得到系统的正常响应。用户角度来看就是不会出现系统 *** 作失败或者访问超时等问题。

一致性：在分布式系统完成某写 *** 作后，任何读 *** 作，都应该获取到该写 *** 作写入的那个最新的值。相当于要求分布式系统中的各节点时时刻刻保持数据的一致性。

一致性与可用性的抉择

CAP理论就是说在分布式存储系统中，最多只能实现上面的两点。而由于当前的网络硬件肯定会出现延迟丢包等问题，所以分区容忍性是我们必须需要实现的。所以我们只能在一致性和可用性之间进行权衡，没有NoSQL系统能同时保证这三点。
对于web2.0网站来说，关系数据库的很多主要特性却往往无用武之地 。(Web1.0以静态、单向阅读为主，网站内信息可以直接和其他网站信息进行交互，能通过第三方信息平台同时对多家网站信息进行整合使用。Web2.0以分享为特征的实时网络，用户在互联网上拥有自己的数据，并能在不同的网站上使用。)

数据库事务一致性需求
很多web实时系统并不要求严格的数据库事务，对读一致性的要求很低，有些场合对写一致性要求并不高。允许实现最终一致性。数据库的写实时性和读实时性需求
对关系数据库来说，插入一条数据之后立刻查询，是肯定可以读出来这条数据的，但是对于很多web应用来说，并不要求这么高的实时性，比方说发一条消息之 后，过几秒乃至十几秒之后，我的订阅者才看到这条动态是完全可以接受的。对复杂的SQL查询，特别是多表关联查询的需求
任何大数据量的web系统，都非常忌讳多个大表的关联查询，以及复杂的数据分析类型的报表查询，特别是SNS类型的网站，从需求以及产品设计角 度，就避免了这种情况的产生。往往更多的只是单表的主键查询，以及单表的简单条件分页查询，SQL的功能被极大的弱化了。

取舍策略

CAP三个特性只能满足其中两个，那么取舍的策略就共有三种：

CA without P：如果不要求P（不允许分区），则C（强一致性）和A（可用性）是可以保证的。但放弃P的同时也就意味着放弃了系统的扩展性，也就是分布式节点受限，没办法部署子节点，这是违背分布式系统设计的初衷的。传统的关系型数据库RDBMS：Oracle、MySQL就是CA。

CP without A：如果不要求A（可用），相当于每个请求都需要在服务器之间保持强一致，而P（分区）会导致同步时间无限延长(也就是等待数据同步完才能正常访问服务)，一旦发生网络故障或者消息丢失等情况，就要牺牲用户的体验，等待所有数据全部一致了之后再让用户访问系统。设计成CP的系统其实不少，最典型的就是分布式数据库，如Redis、Hbase等。对于这些分布式数据库来说，数据的一致性是最基本的要求，因为如果连这个标准都达不到，那么直接采用关系型数据库就好，没必要再浪费资源来部署分布式数据库。

AP wihtout C：要高可用并允许分区，则需放弃一致性。一旦分区发生，节点之间可能会失去联系，为了高可用，每个节点只能用本地数据提供服务，而这样会导致全局数据的不一致性。典型的应用就如某米的抢购手机场景，可能前几秒你浏览商品的时候页面提示是有库存的，当你选择完商品准备下单的时候，系统提示你下单失败，商品已售完。这其实就是先在 A（可用性）方面保证系统可以正常的服务，然后在数据的一致性方面做了些牺牲，虽然多少会影响一些用户体验，但也不至于造成用户购物流程的严重阻塞。

为什么不能全部满足

我们来看一个简单的问题, 一个DB服务 搭建在两个机房（北京,广州)，两个DB实例同时提供写入和读取:

假设DB的更新 *** 作是同时写北京和广州的DB都成功才返回成功
在没有出现网络故障的时候，满足CA原则，C 即我的任何一个写入，更新 *** 作成功并返回客户端完成后,分布式的所有节点在同一时间的数据完全一致， A 即我的读写 *** 作都能够成功，但是当出现网络故障时，我不能同时保证CA，即P条件无法满足。

假设DB的更新 *** 作是只写本地机房成功就返回，通过binlog/oplog回放方式同步至侧边机房
这种 *** 作保证了在出现网络故障时,双边机房都是可以提供服务的，且读写 *** 作都能成功，意味着他满足了AP ，但是它不满足C，因为更新 *** 作返回成功后，双边机房的DB看到的数据会存在短暂不一致，且在网络故障时，不一致的时间差会很大（仅能保证最终一致性）。

假设DB的更新 *** 作是同时写北京和广州的DB都成功才返回成功且网络故障时提供降级服务
降级服务，如停止写入，只提供读取功能，这样能保证数据是一致的，且网络故障时能提供服务，满足CP原则，但是他无法满足可用性原则。

base理论

base是Basically Available（基本可用）、Soft state（软状态）和Eventually consistent（最终一致性）三个短语的简写，base是对CAP中一致性和可用性权衡的结果，其来源于对大规模互联网系统分布式实践的结论，是基于CAP定理逐步演化而来的，其核心思想是即使无法做到强一致性（Strong consistency），但每个应用都可以根据自身的业务特点，采用适当的方式来使系统达到最终一致性（Eventual consistency）。

基本可用

基本可用是指分布式系统在出现不可预知故障的时候，允许损失部分可用性——但请注意，这绝不等价于系统不可用，以下两个就是“基本可用”的典型例子。

响应时间上的损失：正常情况下，一个在线搜索引擎需要0.5秒内返回给用户相应的查询结果，但由于出现异常（比如系统部分机房发生断电或断网故障），查询结果的响应时间增加到了1~2秒。功能上的损失：正常情况下，在一个电子商务网站上进行购物，消费者几乎能够顺利地完成每一笔订单，但是在一些节日大促购物高峰的时候，由于消费者的购物行为激增，为了保护购物系统的稳定性，部分消费者可能会被引导到一个降级页面。
软状态

弱状态也称为软状态，和硬状态相对，是指允许系统中的数据存在中间状态，并认为该中间状态的存在不会影响系统的整体可用性，即允许系统在不同节点的数据副本之间进行数据听不的过程存在延时。

最终一致性

最终一致性强调的是系统中所有的数据副本，在经过一段时间的同步后，最终能够达到一个一致的状态。因此，最终一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致，而不需要实时保证系统数据的强一致性。

总的来说，base理论面向的是大型高可用可扩展的分布式系统，和传统的事物ACID特性是相反的，它完全不同于ACID的强一致性模型，而是通过牺牲强一致性来获得可用性，并允许数据在一段时间内是不一致的，但最终达到一致状态。但同时，在实际的分布式场景中，不同业务单元和组件对数据一致性的要求是不同的，因此在具体的分布式系统架构设计过程中，ACID特性和base理论往往又会结合在一起。

延伸

base(Basically Available, Soft State, Eventual Consistency 基本可用、软状态、最终一致性) 对CAP AP理论的延伸, Redis等众多系统构建与这个理论之上。
ACID 传统数据库常用的设计理念, ACID和base代表了两种截然相反的设计哲学。

base理论面向的是大型高可用可扩展的分布式系统，和传统事务的ACID特性使相反的，它完全不同于ACID的强一致性模型，而是提出通过牺牲强一致性来获得可用性，并允许数据在一段时间内是不一致的，但最终达到一致状态。但同时，在实际的分布式场景中，不同业务单元和组件对数据一致性的要求是不同的，因此在具体的分布式系统架构设计过程中，ACID特性与base理论往往又会结合在一起使用。