[[345334]]

CAP 理論是分布式系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)理論，它描述了任何一個(gè)分布式系統(tǒng)最多只能滿足以下三個(gè)特性中的兩個(gè)：

1. 一致性（Consistency）
2. 可用性（Availability）
3. 分區(qū)容錯(cuò)性（Partition tolerance）

CAP 理論聽起來(lái)十分抽象，本文嘗試以生活中的例子并用通俗易懂的語(yǔ)言來(lái)解釋 CAP 理論的含義。

一、記憶公司面世

一天晚上，正準(zhǔn)備入睡時(shí)，你的妻子對(duì)你記住她生日并送她禮物表示感謝。這時(shí)，一個(gè)商業(yè)想法從你的腦海中閃現(xiàn)：人們總是弱于記憶生活中的事情，而我卻擁有超群的記憶力，因此，為何不成立一間公司可以充分運(yùn)用自己的記憶天賦來(lái)賺錢。說干就干，接著你在當(dāng)?shù)匾婚g報(bào)社刊登了記憶公司的宣傳廣告：

記憶公司 —— 你的事情永不會(huì)忘記

還在為你老是忘記而苦惱？福音來(lái)了，只須一個(gè)電話。

當(dāng)你需要記著某件事情時(shí)，請(qǐng)撥打 400 - 888 - 8888，告訴我們你需要記住的事情，下次你需要找回這件事情，請(qǐng)?jiān)俅螕艽螂娫?，我們將?huì)告訴你的所需。

收費(fèi)：每次只需要 10 元。

以下是一次你和顧客的電話對(duì)話。

顧客：Hey，麻煩幫我記住我鄰居的生日。

你：好。你鄰居生日是什么時(shí)候？

顧客：1月2日。

你：（在一個(gè)本子，翻到這位顧客的一頁(yè)，記錄下他鄰居的生日。）好的，已記錄好。下次你找回鄰居的生日，請(qǐng)?jiān)俅螕艽螂娫挕?/p>

顧客：謝謝。

你：不客氣，本次收費(fèi) 10 元。

二、業(yè)務(wù)擴(kuò)大了

隨著時(shí)間的推移，記憶公司的業(yè)務(wù)發(fā)展得越來(lái)越好，越來(lái)越多的顧客打電話進(jìn)來(lái)需要服務(wù)。雖然賺到的錢越來(lái)越多，但也產(chǎn)生了一個(gè)新的問題。顧客打電話進(jìn)來(lái)時(shí)，需要等待的時(shí)間越來(lái)越多，另外，當(dāng)你生病時(shí)，所有顧客都不能獲得服務(wù)，這令人很是煩惱。

于是，你想出了一個(gè)新的計(jì)劃：你和你的妻子同時(shí)接收顧客的電話，顧客仍然只需要記著一個(gè)公司的服務(wù)電話 400 - 888 - 8888，一個(gè)路由器會(huì)將顧客的電話分發(fā)到你和妻子電話上。

三、服務(wù)出錯(cuò)了

新計(jì)劃實(shí)施兩天后，你接到了一個(gè)名叫 John 的電話，John 是個(gè)老顧客了。

John：Hey

你：你好，歡迎撥打記憶公司電話，有什么可以幫到你嗎？

John：可以告訴我去新澤西的航班是什么時(shí)候嗎？

你：當(dāng)然。（然后你翻開 John 的頁(yè)面，發(fā)現(xiàn)并沒有 John 航班的記錄）

你：你好，是不是搞錯(cuò)了，我們這里并沒有關(guān)于你航班的信息。

John：什么？！昨天我才剛打電話過來(lái)說去新澤西航班的事情。

哪里出錯(cuò)了？難道 John 撒謊了。你繼續(xù)思考導(dǎo)致出錯(cuò)的原因。會(huì)不會(huì)是妻子接到了電話？你走到妻子的桌子，發(fā)現(xiàn)妻子將 John 的航班記錄在了本子上，這時(shí)你才意識(shí)到導(dǎo)致問題的原因，妻子接聽到 John 的電話，但你的本子沒有 John 的記錄。

如果將上面的實(shí)施計(jì)劃稱一個(gè)分布式的設(shè)計(jì)，那這個(gè)設(shè)計(jì)存在明顯的問題——一致性（consistent）的問題。打進(jìn)來(lái)的電話可能其中一人接聽并記錄下來(lái)，下次電話查詢時(shí)卻可能由另一人接聽，這樣就會(huì)出現(xiàn)不一致的問題，無(wú)法為顧客準(zhǔn)確提供服務(wù)。

四、解決一致性問題

晚上你在床上翻來(lái)覆去，最后想到一個(gè)解決一致性問題的辦法，你把新的計(jì)劃告訴妻子：

每次接收記錄的電話（顧客要求幫忙記住他們的事情）時(shí)，我們同時(shí)告知另一個(gè)人

這樣，我們兩個(gè)人都會(huì)在本子更新這位顧客的記錄

下次這位顧客再次打電話進(jìn)來(lái)查詢，這時(shí)我們不需要告知對(duì)方，因?yàn)閮蓚€(gè)本子都有這位顧客的記錄了

這個(gè)方法只有一個(gè)問題，你告訴妻子，當(dāng)有顧客需要記錄時(shí)，我們不能并行地工作。例如，你接收到記錄的電話并這個(gè)信息告知我，這時(shí)我就不能再接聽其他顧客的電話了。但這個(gè)問題基本上也是可以接受的，因?yàn)榇蟛糠诸櫩偷碾娫挾际遣樵兊摹?/p>

老公你真聰明，妻子稱贊你，但這個(gè)設(shè)計(jì)還有一個(gè)問題。如果某天我們其中一個(gè)人有事不能工作了怎么辦？由于我們要求每次接到記錄電話需要同時(shí)更新兩個(gè)本子，這就導(dǎo)致我們不能為顧客提供記錄的服務(wù)，這樣就導(dǎo)致無(wú)法滿足 可用性（availability）的要求。例如，當(dāng)我接到一個(gè)記錄的電話時(shí)，而你恰好不在，這樣我就無(wú)法完成這個(gè)顧客的服務(wù)。這是由于我無(wú)法要求你更新你的本子。

五、更好的辦法

這時(shí)你才意識(shí)到，設(shè)計(jì)一個(gè)分布式的系統(tǒng)是多么的不容易，難道就沒有同時(shí)滿足 一致性和可用性 的設(shè)計(jì)嗎？

又經(jīng)過一晚的思考，你想到一個(gè)兩全其美的辦法，新的辦法跟之前的很相似。你把新的辦法告訴妻子：

當(dāng)接到記錄的電話（顧客要求為他們記錄事情），如果我們兩人當(dāng)天都上班，那么我們同時(shí)記錄下這位顧客的記錄

但如果另一人當(dāng)天沒上班，我們可以將記錄通過 E-mail 的方式發(fā)送給不上班的人

第二天，沒上班的人上班后第一件事就是接收所有的 E-mail ，并在自己的本子上記錄所有顧客的要求。記錄好后，才開始接收第一個(gè)電話。

真是天才，妻子說，這個(gè)辦法我找不出任何問題了，而且可以同時(shí)滿足一致性和可用性的要求。

六、妻子生氣了

公司所有業(yè)務(wù)繼續(xù)正常運(yùn)作了好一段時(shí)間，即使你和妻子其中一人不上班，服務(wù)仍然可以正常提供。

好景不長(zhǎng)，新的問題又出現(xiàn)了。

一天，妻子由于某件小事對(duì)你很是生氣，以至于她接到一位顧客需要記錄的電話并沒告知你。由于記錄沒能在兩個(gè)本子更新，你的設(shè)計(jì)完全被打破了。你的設(shè)計(jì)建立在兩人良好溝通的前提下，如果出現(xiàn)溝通無(wú)法進(jìn)行的情況，系統(tǒng)就出現(xiàn)問題了。也就是說，你的設(shè)計(jì)沒有達(dá)到 分區(qū)容忍性（partition tolerant）的要求。

當(dāng)然，你也可以允許溝通無(wú)法進(jìn)行的情況下繼續(xù)提供服務(wù)。這樣，當(dāng)有顧客需要記錄時(shí)，由于需要滿足 一致性 要求，這位顧客的服務(wù)就無(wú)法完成，也就是 可用性 無(wú)法滿足。。。

七、結(jié)論

讓我們?cè)俅位氐?CAP 理論，CAP 理論告訴我們，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)分布式系統(tǒng)時(shí)，我們無(wú)法同時(shí)滿足 一致性，可用性，分區(qū)容忍性 的要求，我們最多滿足其中的兩個(gè)要求，形式化的證明，可以參考 CAP 理論的證明 。

• 一致性：一旦顧客更新了記錄，下次再打電話查詢時(shí)，總能獲取最新的記錄
• 可用性：只要你和妻子有人上班，記憶公司總能為顧客提供服務(wù)
• 分區(qū)容忍性：即使你和妻子的溝通無(wú)法進(jìn)行，記憶公司仍然可以提供服務(wù)

番外篇：背后的記錄員

上面設(shè)計(jì)的系統(tǒng)仍然有優(yōu)化的空間。記憶公司可以雇傭一個(gè)記錄員，當(dāng)你和妻子其中一人接到顧客的記錄電話時(shí)，記錄員在背后會(huì)將這個(gè)記錄寫在另一個(gè)人的本子上。這樣一來(lái)，另一個(gè)人的服務(wù)就不會(huì)被這個(gè)記錄的電話打斷。許多 NoSQL 系統(tǒng)就使用了這個(gè)方法，一個(gè)節(jié)點(diǎn)更新了數(shù)據(jù)，背后會(huì)有一個(gè)進(jìn)程將數(shù)據(jù)同步到其他節(jié)點(diǎn)。

這種設(shè)計(jì)存在的問題是可能在短時(shí)間內(nèi)丟失一致性。例如，顧客打電話進(jìn)來(lái)要求記錄，妻子接聽到這個(gè)電話。緊接著，這位顧客再次打電話進(jìn)來(lái)要求查詢，你接聽到這個(gè)查詢的電話。如果記錄員還沒將這位顧客的記錄更新到你的本子，這時(shí)顧客就沒法正常查詢。雖然存在這種可能性，但你也不用過分擔(dān)心，因?yàn)轭櫩秃苌贂?huì)打完記錄電話后馬上又打查詢電話，所以出現(xiàn)本子內(nèi)容不一致的概率很低。