全面解读CAP定理

2000年的时候，加州大学伯克利分校的光头教授Eric Brewer提出了CAP猜想：CAP永远不可能同时满足，提高其中任意两者的同时，必然要牺牲第三者。这个定理告诉大家，不要再浪费时间去研究如何兼顾了，因为这根本就是不可能的，只能根据具体应用，来决定如何在三者之间进行取舍。

后来，CAP猜想由麻省理工学院的两位科学家证明。CAP猜想的证明相对比较简单：采用反证法，如果三者可同时满足，则因为允许P的存在，一定存在节点之间的丢包，如此则不能保证C，证明简洁而严谨。从此，CAP理论正式在学术上成为了分布式计算领域的公认定理，并深深的影响了分布式计算的发展。

但是，在CAP理论提出十二年之后，Eric Brewer教授又出来辟谣：“三选二”的公式一直存在着误导性，它会过分简单化各性质之间的相互关系。这三种性质都可以在某种程度上进行衡量，并不是非黑即白的有或无。可用性显然是在0%到100%之间连续变化的，一致性分很多级别，连分区也可以细分为不同含义，如系统内的不同部分对于是否存在分区可以有不一样的认知。所以，一致性和可用性并不是水火不容，非此即彼的。

《全面解读CAP定理》
第一节：什么是 CAP 定理？
第二节：什么是分区？什么是分区容错性？
第三节：为什么只能 3 选 2？
第四节：真实的CP场景：GitHub事故：断网43秒，瘫痪24小时
第五节：CAP理论的新理解

第一节：什么是 CAP 定理？

2000 年的时候，Eric Brewer 教授提出了CAP猜想，2年后，被 Seth Gilbert和 Nancy Lynch从理论上证明了猜想的可能性，从此，CAP定理正式在学术上成为了分布式计算领域的公认定理，并深深的影响了分布式计算的发展。

CAP定理，又称CAP原则，指的是在一个分布式系统中，一致性（Consistency）、可用性（Availability）、分区容错性（Partition tolerance）。CAP 定理指的是，这三个要素最多只能同时实现两点，不可能三者兼顾。

CAP定理的精髓就是要么AP，要么CP，要么AC，但是不存在CAP。因此在进行分布式架构设计时，必须做出取舍。而由于网络硬件肯定会出现延迟丢包等问题，所以分区容错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，没有任何分布式系统能同时保证这三点。

选项	描述
C（Consistence）	一致性，指数据在多个副本之间能够保持一致的特性（严格的一致性）。
A（Availability）	可用性，指系统提供的服务必须一直处于可用的状态，每次请求都能获取到正确的响应，但是不保证获取的数据为最新数据。
P（Partition tolerance）	分区容错性，分布式系统在遇到任何网络分区故障的时候，仍然能够对外提供满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。

第二节：什么是分区？什么是分区容错性？

在分布式系统中，不同的节点分布在不同的子网络中，由于一些特殊的原因，这些子节点之间出现了网络不通的状态，但他们的内部子网络是正常的。从而导致了整个系统的环境被切分成了若干个孤立的区域，这就是分区。

分区容错性，说白了，就是指是否允许出现分区。一旦出现分区，则各个分区之间的数据副本无法达到一致性。

第三节：为什么只能 3 选 2？

假设有一个系统如下：

整个系统由两个节点配合组成，节点之间通过网络通信，当节点 A 进行更新数据库操作的时候，需要同时更新节点 B 的数据库（满足一致性）。这个系统怎么满足 CAP 呢？

C：当节点A更新的时候，节点B也要更新；
A：必须保证两个节点都是可用的；
P：当节点 A,B 出现了网络分区，必须保证对外可用。

可见，三者根本无法同时满足，只要出现了网络分区，一致性就无法满足，因为节点 A 根本连接不上节点 B。如果强行满足一致性，就必须停止服务运行，从而放弃可用性。所以，最多满足两个条件，并有下面几种情况：

组合	分析
CA	满足一致性和可用，放弃分区容错。此时已经变成了单机系统，谈不上是分布式系统了。对于分布式系统而言，分区容错性是一个最基本的要求，因为分布式系统中的组件必然需要部署到不通的节点，必然会出现子网络，在分布式系统中，网络问题是必定会出现的异常。因此分布式系统只能在C（一致性）和A（可用性）之间进行权衡。放弃分区容错性，比较简单的方式就是把所有的数据都放在一个分布式节点上。那不就又成为了单机应用了吗？
CP	满足一致性和分区容错，也就是说，要放弃可用。当系统被分区，为了保证一致性，必须放弃可用性，让服务停用。放弃可用性，一旦出现网络故障，受到影响的服务需要再等待一定时间，因为系统处于不可用的状态。
AP	满足可用性和分区容错，当出现分区，同时为了保证可用性，必须让节点继续对外服务，这样必然导致失去一致性。放弃一致性，这里所指的一致性是强一致性，但是确保最终一致性。是很多分布式系统的选择。

第四节：真实的CP场景：GitHub事故：断网43秒，瘫痪24小时

2018年10月31日，GitHub技术负责人Jason Warner的一篇技术深度解析稿成为IT圈爆款。文中，Jason坦诚地对外讲述了10月21日100G光缆设备故障后，Github服务降级的应急过程以及反思总结。

从Jason Warner的文章中不难看出，造成断网43秒瘫痪24小时的罪魁祸首是数据库。由于部署在两个数据中心的数据库集群没有实时同步。意外发生时，Github的工程师担心数据丢失，不敢快速将主数据库安全切换到东海岸的备份数据中心。

程序员们在GitHub这篇“忏悔录”下面留言，表达对数据库集群的“哀悼”。但更多IT从业者关心的问题是，如何避免这样的灾难事件降临到自己的公司，自己维护的系统。

分布式数据库专家认为，此次Github事件是典型的城市级故障。如果系统采用的是高可用的三地五中心解决方案，就可以自如应对。

原来，Github类似银行采用的传统数据库两地三中心模式，即“主库（主机房）+同城热备库（同城热备机房）+异地灾备库（异地灾备机房）”。这种方式下通常只有主机房的服务器能提供写服务。如果主城市出现城市级故障，灾备城市的数据库虽然可以工作，但由于没有同步的最新数据，因此灾备库的数据是有损的。Github表示，为了保证数据完整性，他们不得不牺牲恢复时间。

其实，这个问题采用三地五中心方案可以更好的应对。城市故障时，只要活着的两个城市的三个机房两两之间能够通信，就可以正常服务，也不会有任何的数据损失。

第五节：CAP理论的新理解

有读者存在疑问：根据CAP理论，在分布式系统中一致性和可用性只能选一个，那Paxos、Raft等共识算法是如何做到在保证一定的可用性的同时，对外提供强一致性呢？

这个疑问的根源在于没有明白CAP理论后期的发展。在CAP理论提出十二年之后，其作者又出来辟谣：“三选二”的公式一直存在着误导性，它会过分简单化各性质之间的相互关系。

首先，由于分区很少发生，那么在系统不存在分区的情况下没什么理由牺牲C或A。

其次，C与A之间的取舍可以在同一系统内以非常细小的粒度反复发生，而每一次的决策可能因为具体的操作，乃至因为牵涉到特定的数据或用户而有所不同。

最后，这三种性质都可以在程度上衡量，并不是非黑即白的有或无。可用性显然是在0%到100%之间连续变化的，一致性分很多级别，连分区也可以细分为不同含义，如系统内的不同部分对于是否存在分区可以有不一样的认知。所以，一致性和可用性并不是水火不容，非此即彼的。