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  • 架构设计之「 CAP 定理 」

    CAP定理是分布式系统中最基础的原则。所以理解和掌握了CAP,对系统架构的设计至关重要。

    「 CAP定理 」又被称为 布鲁尔定理,它提出对于一个分布式系统而言,不能同时满足以下三点:

    • Consisteny(一致性)
    • Availability(可用性)
    • Partition tolerance(分区容错性)

    也就是说CAP定理指明了,任何分布式系统只能同时满足这三项中的两项。

     

    如上图,如果是最多同时满足两项,那我们可以有三个组合:CA、CP、AP。在聊这三个组合之前,我们先分别看一下 Consisteny(一致性)、Availability(可用性)、Partition tolerance(分区容错性)的含义。

    假设某个系统当前有两个节点A和B,两个节点分别可以由Actor进行读写,两个节点之间的数据会自动完成同步。

    1. Consisteny(一致性)

    一致性的要求是指,对于任何客户端(上图Actor)来说,每次的读操作,都能获得最新的数据。即,当有客户端向A节点写入了新数据之后,其它客户端从B节点中进行读操作所获得的数据必须也是最新的,是与A节点数据保持一致的。

    2. Availability(可用性)

    可用性的要求是指,每个请求都能在合理的时间内获得符合预期的响应(不保证获取的结果是最新的数据)。

    按照上图来看就是,客户端只要向A节点或B节点发起请求后,只要这两个节点收到了请求,就必须响应给客户端,但不需要保证响应的值是否正确。

    3. Partition tolerance(分区容错性)

    分区容错性是指,当节点之间的网络出现问题之后,系统依然能正常提供服务。

    讲完了C、A、P的含义和要求,我们继续来看看它们之间如何组合使用。

    二、CAP怎么应用

    有 CA、CP、AP 三种组合方式,但是在分布式系统的结构下,网络是不可能做到100%可靠的。如果选择 CA组合,放弃 P(分区容错性)。还是以最上面的图中A和B节点来举例,当发生节点间网络故障时,为了保证 C(一致性),那么就必须将系统锁住,不允许任何写入操作,否者就会出现节点之间数据不一致了。但是锁住了系统,就意味着当有写请求进来的时候,系统是不可用的,这一点又违背了 A(可用性)原则。

    因此分布式系统理论上是不可能有CA组合的,所以我们只能选择 CP 和 AP组合架构。

    下面我们来详细看一下  CP架构 和 AP架构的特点:

    CP 架构

    CP架构即 Consisteny(一致性)与 Partition tolerance(分区容错性)的组合。

     

    1. 如上图,由于网络问题,节点A和节点B之前不能互相通讯。当有客户端(上图Actor)向节点A进行写入请求时(准备写入Message 2),节点A会不接收写入操作,导致写入失败,这样就保证了节点A和节点B的数据一致性,即保证了Consisteny(一致性)。

    然后,如果有另一个客户端(上图另一个Actor)向B节点进行读请求的时候,B请求返回的是网络故障之前所保存的信息(Message 1),并且这个信息是与节点A一致的,是整个系统最后一次成功写入的信息,是能正常提供服务的,即保证了Partition tolerance(分区容错性)。

    上述情况就是保障了CP架构,但放弃了Availability(可用性)的方案。

    2. AP 架构

    AP架构即 Availability(可用性)与 Partition tolerance(分区容错性)的组合架构。

     

    如上图,由于网络问题,节点A和节点B之前不能互相通讯。当有客户端(上图Actor)向节点A进行写入请求时(准备写入Message 2),节点A允许写入,请求操作成功。但此时,由于A和B节点之前无法通讯,所以B节点的数据还是旧的(Message 1)。当有客户端向B节点发起读请求时候,读到的数据是旧数据,与在A节点读到的数据不一致。但由于系统能照常提供服务,所以满足了Availability(可用性)要求。

    因此,这种情况下,就是保障了AP架构,但其放弃了 Consisteny(一致性)。

    以上,就是对CAP定理的一些思考。希望对大家有所帮助。

    参考 https://mp.weixin.qq.com/s/BtHPlZOvy8HNK1TuOrDxLA

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