04-CAP理论和BASE理论

一、CAP 理论

1.1 基本概念

1. 一致性 C:Consistency

在分布式环境中，一致性是指数据在多个节点之间能够保持一致的特性。如果在某个节点上执行变更操作后，用户可以立即从其他任意节点上读取到变更后的数据，那么就认为这样的系统具备强一致性。

2. 可用性 A:Availability

可用性是指系统提供的服务必须一直处于可用状态，对于用户的每一个操作请求总是能够在有限的时间内返回结果。它主要强调以下两点：

• 有限的时间内：对于用户的一个请求操作，系统必须要在指定的时间内返回处理结果，如果超过这个时间，那么系统就被认为是不可用的。
• 返回结果：不论成功或者失败，都需要明确地返回响应结果。

3. 分区容错性 P:Partition tolerance

分区容错性指定是分布式系统在遇到网络分区时，仍需要能够对外提供一致性和可用性的服务，除非是整个网络环境都发生了故障。

这里的网络分区指的是：在分布式系统中，由于不同的节点会分布在不同子网中（不同机房或异地网络等），由于一些特殊的原因，可能会出现子网内部是正常的，但子网彼此之间却无法正常通信，从而导致整个系统的网络被切分成若干个独立的区域，这就是网络分区。

1.2 CAP 理论

CAP 理论强调：

一个分布式系统不可能同时满足一致性（C：Consistency）、可用性（A：Availability）和分区容错性（P：Partition tolerance）这三个需求，最多只能同时满足其中的两个。

解释说明：

首先对于一个分布式系统而言，网络分区是不可避免的，不可能永远不出现网络故障，所以分区容错性 P 必须要保证。假设一个分布式系统中出现了网络分区，如下：

假设用户 1 向节点 1 上增加了 10 个数据，但节点 1 和节点 2 之间因为网络分区而无法进行数据同步，碰巧用户 2 此时发起了查询请求，此时有两种处理方案：

• 放弃 A，保证 C：即对于用户 2 的查询返回失败，直至节点 1 上的数据同步至节点 2，两者的数据都变为 60 为止；
• 放弃 C，保证 A：对于本次的查询直接返回原来的数据 50，此时放弃了一致性，但保证了可用性。待网络恢复后，仍然需要将节点 1 上的数据同步至节点 2。

可以看到无论如何，都是无法既保证 A ，又保证 C 的。

1.3 选择策略

因为 CAP 理论不能将一致性、可用性和分区容错性都满足，所以需要根据不同系统的特性进行取舍，主要分为以下三种情况：

• 保证 AC ，放弃 P：这种情况下可以将所有数据（或者是与事务相关的数据）都放在一个分布式节点上，这样可以避免网络分区带来的影响，但同时也意味着放弃了系统的可扩展性，如单机版本的 MySQL、Oracle 等。
• 保证 CP ，放弃 A：这种情况下如果发生了网络分区故障，此时节点间的数据就无法同步。因此在故障修复前都需要放弃对外提供服务，直至网络恢复，数据到达一致为止。
• 保证 AP ，放弃 C：这种情况相当于放弃一致性。具体而言，是放弃数据的强一致性，但保证数据的最终一致性。因为不论是什么系统，数据最终都需要保持一致，否则整个系统就无法使用。在这种策略下，在某个短暂的时间窗口内会存在数据不一致的情况。

二、BASE 理论

BASE是对基本可用（Basically Available）、软状态（ Soft State）、最终一致性（ Eventually Consistent）三个短语的简写，它是对 CAP 理论中 AP 策略的延伸。其核心是即便无法做到强一致性，但每个系统应用都应该根据自身业务的特点，采取适当的方式来保证系统的最终一致性。

而具体的方案就体现在这三个短语上：

1. 基本可用 BA:Basically Available

基本可用是指分布式系统在出现不可预知的故障时，允许损失部分可用性，例如：

• 延长响应时间：比如原来的的查询只需要 0.5 秒，现在延长到 1～ 2 秒；
• 服务降级：比如在商品秒杀时，部分用户会被引导到一个降级页面。

2. 软状态 S:Soft State

软状态也称为弱状态，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整体的可用性，即允许不同节点间的数据同步存在延时。

3. 最终一致性 E:Eventually Consistent

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，最终需要达到一致的状态。