分布式 CAP 定理

CAP定理，指的是在一个分布式系统中，Consistency（一致性）、 Availability（可用性）、Partition tolerance（分区容错性），三者不可兼得。分布式系统的最大难点，就是各个节点的状态如何做到同步。

CAP 定理是分布式理论的基本定理，也是理解分布式系统的起点。

1. 分布式系统的三个指标

1998年，加州大学的计算机科学家 Eric Brewer 提出，分布式系统有三个指标。

• Consistency
• Availability
• Partition tolerance

它们的第一个字母分别是 C、A、P。

Eric Brewer 说，这三个指标不可能同时做到，这个结论称为 CAP 定理。

1) Partition tolerance

先看 Partition tolerance，中文叫做 "分区容错"。

分布式系统都有多个子网络或者多个节点，每个子网络就叫做一个区（partition）。

分区容错的意思是，区间通信可能失败。失败的原因可能是网络问题，也可能是系统故障。

比如，一台服务器放在中国，另一台服务器放在美国，这就是两个区，它们之间可能无法通信。

上图中，G1 和 G2 是两台跨区的服务器。G1 向 G2 发送一条消息，G2 可能无法收到。系统设计的时候，必须考虑到这种情况。

一般来说，分区容错是无法避免的，因此可以认为 CAP 的 P 总是成立。

CAP 定理告诉我们，剩下的 C 和 A 无法同时做到。

2) Consistency

Consistency 中文叫做"一致性"。意思是，写操作之后的读操作，必须返回该值。举例来说，某条记录是 v0，用户向 G1 发起一个写操作，将其改为 v1。

接下来，用户的读操作就会得到 v1。这就叫一致性。

问题是，用户有可能向 G2 发起读操作，由于 G2 的值没有发生变化，因此返回的是 v0。G1 和 G2 读操作的结果不一致，这就不满足一致性了。

为了让 G2 也能变为 v1，就要在 G1 写操作的时候，让 G1 向 G2 发送一条消息，要求 G2 也改成 v1。

这样的话，用户向 G2 发起读操作，也能得到 v1。

3) Availability

Availability 中文叫做"可用性"，意思是只要收到用户的请求，服务器就必须给出回应。

用户可以选择向 G1 或 G2 发起读操作。不管是哪台服务器，只要收到请求，就必须告诉用户，到底是 v0 还是 v1，否则就不满足可用性。

2. Consistency 和 Availability 的矛盾

一致性和可用性，为什么不可能同时成立？答案很简单，因为可能通信失败（即出现分区容错）。

如果保证 G2 的一致性，那么 G1 必须在写操作时，必须锁定 G2 的读操作和写操作。

只有数据同步后，才能重新开放读写。

锁定期间，G2 不能读写，无法做的可用性。

如果要保证 G2 的可用性，那么势必不能锁定 G2，所以一致性不成立。

所以，G2 无法同时做到一致性和可用性。

系统设计时只能选择一个目标。如果追求一致性，那么无法保证所有节点的可用性；如果追求所有节点的可用性，那就没法做到一致性。