分布式理论之CAP定理（布鲁尔定理）

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1. 分布式理论之CAP定理（布鲁尔定理）
2. 分布式理论之BASE理论
3. 分布式理论之2PC协议(2阶段提交协议)

定义

在理论计算机科学中，CAP定理（CAP theorem），又被称做布鲁尔定理（Brewer's theorem），它指出对于一个分布式计算系统来讲，不可能同时知足如下三点

选项	具体意义
一致性（Consistency）	全部节点访问同一份最新的数据副本
可用性（Availability）	每次请求都能获取到非错的响应，可是不保证获取的数据为最新数据
分区容错性（Partition tolerance）	分布式系统在遇到任何网络分区故障的时候，仍然可以对外提供知足一致性和可用性的服务，除非整个网络环境都发生了故障

而CAP指的就是上述三个指标的首字母

分别解释每一个指标

一致性（Consistency）

这里指的是强一致性，而最终一致性后续讨论
在写操做完成后开始的任何读操做都必须返回该值，或者后续写操做的结果
也就是说，在一致性系统中，一旦客户端将值写入任何一台服务器并得到响应，那么以后client从其余任何服务器读取的都是刚写入的数据

用以下系统进行解释

1. 客户端向G1写入数据v1，并等待响应
2. 此时，G1服务器的数据为v1，而G2服务器的数据为v0，二者不一致
3. 接着，在返回响应给客户端以前，G2服务器会自动同步G1服务器的数据，使得G2服务器的数据也是v1
4. 一致性保证了无论向哪台服务器（好比这边向G1）写入数据，其余的服务器（G2）能实时同步数据
5. G2已经同步了G1的数据，会告诉G1，我已经同步了
6. G1接收了全部同步服务器的已同步的报告，才将“写入成功”信息响应给client
7. client再发起请求，读取G2的数据
8. 此时获得的响应是v1，即便client从未写入数据到G2

可用性（Availability）

系统中非故障节点收到的每一个请求都必须有响应
在可用系统中，若是咱们的客户端向服务器发送请求，而且服务器未崩溃，则服务器必须最终响应客户端，不容许服务器忽略客户的请求

分区容错性（Partition tolerance）

容许网络丢失从一个节点发送到另外一个节点的任意多条消息，即不一样步
也就是说，G1和G2发送给对方的任何消息都是能够放弃的，也就是说G1和G2可能由于各类意外状况，致使没法成功进行同步，分布式系统要能容忍这种状况。

CAP三者不可能同时知足

假设确实存在三者能同时知足的系统

• 那么咱们要作的第一件事就是分区咱们的系统，因为知足分区容错性，也就是说可能由于通讯不佳等状况，G1和G2之间是没有同步

• 接下来，咱们的客户端将v1写入G1，但G1和G2之间是不一样步的，因此以下G1是v1数据，G2是v0数据。

• 因为要知足可用性，即必定要返回数据，因此G1必须在数据没有同步给G2的前提下返回数据给client，以下

• 接下去，client请求的是G2服务器，因为G2服务器的数据是v0，因此client获得的数据是v0

很明显，G1返回的是v1数据，G2返回的是v0数据，二者不一致。
其他状况也有相似推导，也就是说CAP三者不能同时出现。

CAP三者如何权衡

三选二利弊如何

• CA (Consistency + Availability)：关注一致性和可用性，它须要很是严格的全体一致的协议，好比“两阶段提交”（2PC）。CA 系统不能容忍网络错误或节点错误，一旦出现这样的问题，整个系统就会拒绝写请求，由于它并不知道对面的那个结点是否挂掉了，仍是只是网络问题。惟一安全的作法就是把本身变成只读的。
• CP (consistency + partition tolerance)：关注一致性和分区容忍性。它关注的是系统里大多数人的一致性协议，好比：Paxos 算法 (Quorum 类的算法)。这样的系统只须要保证大多数结点数据一致，而少数的结点会在没有同步到最新版本的数据时变成不可用的状态。这样可以提供一部分的可用性。
• AP (availability + partition tolerance)：这样的系统关心可用性和分区容忍性。所以，这样的系统不能达成一致性，须要给出数据冲突，给出数据冲突就须要维护数据版本。Dynamo 就是这样的系统。

如何进行三选二

权衡三者的关键点取决于业务
放弃了一致性，知足分区容错，那么节点之间就有可能失去联系，为了高可用，每一个节点只能用本地数据提供服务，而这样会容易致使全局数据不一致性。对于互联网应用来讲（如新浪，网易），机器数量庞大，节点分散，网络故障再正常不过了，那么此时就是保障AP，放弃C的场景，而从实际中理解，像门户网站这种偶尔没有一致性是能接受的，但不能访问问题就很是大了。

对于银行来讲，就是必须保证强一致性，也就是说C必须存在，那么就只用CA和CP两种状况，当保障强一致性和可用性（CA），那么一旦出现通讯故障，系统将彻底不可用。另外一方面，若是保障了强一致性和分区容错（CP），那么就具有了部分可用性。实际究竟应该选择什么，是须要经过业务场景进行权衡的（并非全部状况都是CP好于CA，只能查看信息但不能更新信息有时候还不如直接拒绝服务）

参考

CAP原则(CAP定理)、BASE理论
分布式理论(一) - CAP定理
CAP定理
An Illustrated Proof of the CAP Theorem
分布式系统的一致性协议之 2PC 和 3PC