第六章作业

发布于: 2020 年 07 月 15 日

请简述CAP原理

一、CAP原理介绍

先简单介绍一下CAP原理是什么:

C:Consistency

即一致性,访问所有的节点得到的数据应该是一样的。注意,这里的一致性指的是强一致性,也就是数据更新完,访问任何节点看到的数据完全一致,要和弱一致性,最终一致性区分开来。

A:Availability

即可用性,所有的节点都保持高可用性。注意,这里的高可用还包括不能出现延迟,比如如果节点B由于等待数据同步而阻塞请求,那么节点B就不满足高可用性。

也就是说,任何没有发生故障的服务必须在有限的时间内返回合理的结果集。

P:Partiton tolerance

即分区容忍性,这里的分区是指网络意义上的分区。由于网络是不可靠的,所有节点之间很可能出现无法通讯的情况,在节点不能通信时,要保证系统可以继续正常服务。

以实际效果而言,分区相当于对通信的时限要求。系统如果不能在时限内达成数据一致性,就意味着发生了分区的情况,必须就当前操作在C和A之间做出选择

CAP原理说,一个数据分布式系统不可能同时满足C和A和P这3个条件。所以系统架构师在设计系统时,不要将精力浪费在如何设计能满足三者的完美分布式系统,而是应该进行取舍。由于网络的不可靠性质,大多数开源的分布式系统都会实现P,也就是分区容忍性,之后在C和A中做抉择。

对CAP原理的一些常见的理解误区

看到网上很多文章说CAP原理是分布式系统的基石,但是CAP原理其实是对分布式数据存储系统的一个定论。我们假设一个分布式系统各个节点都读写同一个mysql实例,那么对于这个分布式系统来说,讨论CAP原理是没有意义的。因为各个节点之间可以不用因为数据复制而进行通信,满足分区容忍性(P),可以随时响应请求,满足可用性(A),同时因为访问的是一个数据库实例,本身已经保证了数据一致性(C)。

因此,在讨论CAP原理的时候,更多的是针对那些有数据存储、数据复制场景的分布式存储系统,也就是我们熟悉的NoSql数据库。

由于我们大多数人都不会去设计一款新的NoSql数据库来使用,更多的是使用现成的NoSql开源系统进行数据的存储,比如Hbase、MongoDB、Cassandra等。所以大多数时候,其实我们都用不上CAP原理。

虽然用不上,但是了解一下还是没有坏处的。下面简单证明一下CAP

二、CAP原理简单证明

假设有节点data1和节点data2,一开始有个数据number=1。之后向data1提交更新,将数据number设置为2。

接着data1就需要将更新推送给data2,让data2也更新number数据。

接下来我们分3个场景分析:

  1. 在保证C和P的情况下

为了保证数据一致性,data1需要将数据复制给data2,即data1和data2需要进行通信。但是由于网络是不可靠的,我们系统有保证了分区容忍性,也就是说这个系统是可以容忍网络的不可靠的。这时候data2就不一定能及时的收到data1的数据复制消息,当有请求向data2访问number数据时,为了保证数据的一致性,data2只能阻塞等待数据真正同步完成后再返回,这时候就没办法保证高可用性了。

所以,在保证C和P的情况下,是无法同时保证A的。

  1. 在保证A和P的情况下

为了保证高可用性,data1和data2都有在有限时间内返回。同样由于网络的不可靠,在有限时间内,data2有可能还没收到data1发来的数据更新消息,这时候返回给客户端的可能是旧的数据,和访问data1的数据是不一致的,也就是违法了C。

也就是说,在保证A和P的情况下,是无法同时保证C的。

  1. 在保证A和C的情况下

如果要保证高可用和一致性,只有在网络情况良好且可靠的情况下才能实现。这样data1才能立即将更新消息发送给data2。但是我们都知道网络是不可靠的,是会存在丢包的情况的。所以要满足即时可靠更新,只有将data1和data2放到一个区内才可以,也就丧失了P这个保证。其实这时候整个系统也不能算是一个分布式系统了。

理解CAP理论的最简单方式是想象两个节点分处分区两侧。允许至少一个节点更新状态会导致数据不一致,即丧失了C性质。如果为了保证数据一致性,将分区一侧的节点设置为不可用,那么又丧失了A性质。除非两个节点可以互相通信,才能既保证C又保证A,这又会导致丧失P性质。

三、CAP原理在各个系统的应用

四、总结

关于CAP原理,还需要特别注意的一点是,虽然说我们设计系统时不能同时保证拥有三点。但是也并不是说,保证了其中2点后,就要完全抛弃另外一点。只是相对的要做一些牺牲。比如在保证CP的情况下,虽然没办法保证高可用性,但这不意味着可用性为0,我们可以通过合理的设计尽量的提高可用性,让可用性尽可能的接近100%。同理,在AP的情况下,也可以尽量的保证数据的一致性,或者实现弱一致性,即最终一致性。

个人认为,对于大数据的研发人员,CAP原理还是有必要理解的。理解了CAP原理后,再去看一些开源的NoSql实现原理也会比较好理解一些。

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武鹏

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还未添加个人签名 2020.04.23 加入

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2020 年 07 月 15 日 16:13
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