1. 引言

大家好，我是小?，一個(gè)漂泊江湖多年的 985 非科班程序員，曾混跡于國企、互聯(lián)網(wǎng)大廠和創(chuàng)業(yè)公司的后臺(tái)開發(fā)攻城獅。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，分布式系統(tǒng)是一門極具挑戰(zhàn)性的研究方向，也是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中必不可少的優(yōu)化實(shí)踐，而 CAP 理論和 BASE 理論則是分布式系統(tǒng)中的兩個(gè)關(guān)鍵的概念。

今天，小?將帶大家深入淺出地探討這些概念，幫助大家更好地理解分布式系統(tǒng)的奧秘。

2. 什么是分布式系統(tǒng)

首先，讓我們來談?wù)劮植际较到y(tǒng)。你可以將分布式系統(tǒng)想象成一個(gè)龐大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，由多個(gè)計(jì)算機(jī)或服務(wù)器節(jié)點(diǎn)組成，它們可能分布在不同的地理位置上。

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如圖所示，應(yīng)用層的三個(gè)節(jié)點(diǎn)都發(fā)布在不同的城市。這些節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信和協(xié)作，共同完成復(fù)雜的任務(wù)。

想象一下，你是一名團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)，有一項(xiàng)任務(wù)需要完成。如果你獨(dú)自一人完成，可能需要花費(fèi)很長時(shí)間。

但如果你將任務(wù)分解成幾個(gè)子任務(wù)，分派給你的團(tuán)隊(duì)成員，他們可以并行工作，更快地完成任務(wù)。這就是分布式系統(tǒng)的核心思想。

3 CAP理論

接下來，讓我們談?wù)?CAP 理論，它是分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)原則。

CAP 是指在分布式系統(tǒng)中，Consistency（一致性）、Availability（可用性）和 Partition tolerance（分區(qū)容錯(cuò)性）這三個(gè)基本原則。

C - 一致性（Consistency）

一致性意味著無論你從分布式系統(tǒng)的哪個(gè)節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，你都會(huì)獲得相同的數(shù)據(jù)副本，它確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在分布式系統(tǒng)中，廣泛的一致性分為三種，分別是強(qiáng)一致性、弱一致性和最終一致性。

強(qiáng)一致性

強(qiáng)一致性要求用戶在分布式系統(tǒng)中訪問數(shù)據(jù)時(shí)，不管是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，數(shù)據(jù)都應(yīng)該完全一致。

比如在訂單系統(tǒng)中球鞋庫存還剩 10 雙，張三剛買了一雙球鞋，數(shù)據(jù)更新完成后，接下來李四看到的球鞋數(shù)量就只有 9 雙，否則就可能會(huì)出現(xiàn)超賣的情況。

但這需要更多的時(shí)間和精力來協(xié)調(diào)，就像李四在買鞋的時(shí)候，必須排隊(duì)先等張三的購買動(dòng)作結(jié)束后才可以繼續(xù)，效率較低。

弱一致性

弱一致性是指，在分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)被更新后，也允許讓后續(xù)的訪問拿到更新之前的老數(shù)據(jù)。

就像參加聚會(huì)一樣，每個(gè)人都有自己的鐘表。各自的鐘表時(shí)間可能會(huì)有點(diǎn)不一樣，但是這不影響大家聚在一起玩耍。

弱一致性提高了業(yè)務(wù)的效率，但有時(shí)會(huì)導(dǎo)致一些混亂，想象一下如果聚會(huì)人員的時(shí)間差太多，就會(huì)陷入長久的等待。

最終一致性

最終一致性是弱一致性的特殊形式，要求系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新完成，在一段時(shí)間以后，后續(xù)的所有訪問都能拿到最新的數(shù)據(jù)。

這就像朋友圈的消息傳播。當(dāng)你發(fā)了一條消息，它不會(huì)立刻被所有朋友看到，但最終，每個(gè)人都會(huì)看到相同的消息。

一般的業(yè)務(wù)系統(tǒng)基于性價(jià)比的考量，絕大多數(shù)都是采用最終一致性作為分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。

而 CAP 理論里的一致性，則要求是強(qiáng)一致性。正如官方文檔中描述的那樣：All nodes see the same data at the same time，所有節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)完全一致。

A - 可用性（Availability）

可用性意味著分布式系統(tǒng)的每個(gè)請(qǐng)求都應(yīng)該得到響應(yīng)，而且應(yīng)該在有限的時(shí)間內(nèi)完成。

可用性確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，它描述的是系統(tǒng)能夠很好地為用戶服務(wù)，不會(huì)出現(xiàn)用戶操作失敗或者訪問超時(shí)的情況，影響用戶體驗(yàn)。

即官方所說Reads and writes always succeed，服務(wù)在正常響應(yīng)時(shí)間內(nèi)一直可用。

P - 分區(qū)容錯(cuò)性（Partition Tolerance）

分區(qū)容錯(cuò)性是指系統(tǒng)能夠在網(wǎng)絡(luò)分區(qū)或通信故障的情況下繼續(xù)運(yùn)行，也就是節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障了，或者系統(tǒng)中的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出問題了，我們?nèi)匀恍枰ＷC業(yè)務(wù)系統(tǒng)可用。

即 The system continues to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the system，分布式系統(tǒng)在遇到某個(gè)節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)分區(qū)故障時(shí)，仍然能夠?qū)ν馓峁M足一致性或可用性的服務(wù)。

4. CAP 的特點(diǎn)

4.1 分區(qū)容錯(cuò)的重要性

這時(shí)，有分布式基礎(chǔ)的同學(xué)可能就會(huì)問了，CAP 理論確實(shí)很重要，但是這三個(gè)特性似乎不能同時(shí)滿足，是吧？

沒錯(cuò)，這就是 CAP 理論的核心觀點(diǎn)。

CAP 理論告訴我們，在一個(gè)分布式系統(tǒng)中，我們最多只能同時(shí)滿足其中 2 個(gè)特性，而無法同時(shí)滿足 3 個(gè)。

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為什么 C，A，P 三者不可兼得？首先，我們得知道，在分布式系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)不可靠，為了保證服務(wù)可以時(shí)刻對(duì)外提供服務(wù)，所以分區(qū)容錯(cuò)性是一定要保證的。

試想如果只有一個(gè)分區(qū)，談分布式就沒有意義了。而多個(gè)分區(qū)，一定會(huì)有分區(qū)的故障問題，分布式系統(tǒng)中保證分區(qū)容錯(cuò)就變成最基本的訴求了。

所以現(xiàn)在我們只需考慮在分區(qū)容錯(cuò)的基礎(chǔ)上，能否同時(shí)滿足一致性和可用性，我們可以用反證法來證明。

4.2 AP Or CP

假設(shè)現(xiàn)在有兩個(gè)分區(qū) P1 和 P2，分區(qū)上都有同一份數(shù)據(jù) D1 和 D2， 現(xiàn)在它們是完全相同的。

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接下來，有一個(gè)請(qǐng)求 1 訪問了 P1，更改了 D1 上的數(shù)據(jù)。然后又有一個(gè)請(qǐng)求 2 訪問了 P2，去訪問 D2 的同一份數(shù)據(jù)。

這時(shí)，我們需要權(quán)衡。

先保證一致性

如果先保證滿足一致性和分區(qū)容錯(cuò)，即 CP。

這個(gè)過程很容易出現(xiàn)：D1 已經(jīng)更新數(shù)據(jù)，但是查詢 D2 時(shí)，數(shù)據(jù)返回的還是老數(shù)據(jù)。

為了保證 D2 和 D1 數(shù)據(jù)完全一致，必須在更新 D1 數(shù)據(jù)時(shí)給 P2 上的 D2 數(shù)據(jù)上鎖，等待 D1 更新完成后再同步更新 D2。

這個(gè)過程中，鎖住的 D2 就沒法給請(qǐng)求 2 實(shí)時(shí)響應(yīng)，也就是違背了 P2 上的可用性。

所以在滿足一致性的前提下，CAP 無法同時(shí)滿足。

先保證可用性

如果先保證滿足可用性和分區(qū)容錯(cuò)，即 AP。

可用性要求 P1 和 P2 都可以實(shí)時(shí)響應(yīng)，因此在 D2 剛更新完還未同步給 D1 時(shí)，兩個(gè) DB 的數(shù)據(jù)是不一致的，也就違背了 P1 和 P2 上的數(shù)據(jù)一致性。

所以在滿足可用性的前提下，CAP 亦無法同時(shí)滿足。

4.3 CAP 如何權(quán)衡

CAP 三者不可兼得，該怎么選擇呢？一般根據(jù)我們的業(yè)務(wù)可以有以下選擇。

滿足一致性和分區(qū)容錯(cuò)CP

保證分區(qū)的強(qiáng)一致性（C），不要求可用（A）。

相當(dāng)于請(qǐng)求到達(dá)某個(gè)系統(tǒng)之前，需要等待數(shù)據(jù)完全同步以后，才會(huì)得到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)響應(yīng)，一般在數(shù)據(jù)需嚴(yán)格保持一致的金融系統(tǒng)中會(huì)使用這種模式。

滿足可用性和分區(qū)容錯(cuò)AP

保證分區(qū)的可用性（A），不要求強(qiáng)一致性（C）。

當(dāng)請(qǐng)求訪問某個(gè)分區(qū)的數(shù)據(jù)時(shí)，可能拿到未同步的老數(shù)據(jù)，這種模式一般只要求數(shù)據(jù)滿足最終一致性，進(jìn)而保證系統(tǒng)響應(yīng)速度和高可用。

AP 在業(yè)界使用范圍較廣，比如著名的 BASE 理論（下文會(huì)細(xì)講）。

滿足可用和一致性AC

上文已經(jīng)說過，分布式系統(tǒng)中無法同時(shí)保證系統(tǒng)的強(qiáng)一致性（C）和可用性（A）。

這是因?yàn)榉植际较到y(tǒng)中的分區(qū)是客觀存在無法避免的，而單體系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫可以通過事務(wù)保證數(shù)據(jù)的一致性和可用性，比如 MySQL 中事務(wù)的四大特性（原子性、一致性、隔離性和持久性，簡稱 ACID）。

5. BASE 理論

BASE 理論是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)的實(shí)踐總結(jié)，它的核心思想在于，既然在分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)一致性的代價(jià)太大，那不如退而求其次。

只需要各應(yīng)用分區(qū)在提供高可用服務(wù)的基礎(chǔ)上，盡最大能力保證數(shù)據(jù)一致性，也就是保證數(shù)據(jù)的最終一致性。

BASE 理論是 CAP 中保證分區(qū)容錯(cuò)（P）的前提下，對(duì)可用性（A）和一致性（C）的權(quán)衡，它由 Basically Available（基本可用），Soft State（軟狀態(tài)），Eventually-Consistent（最終一致性）三方面構(gòu)成，簡稱 BASE 理論。

分布式系統(tǒng)中，CAP 理論提供了一個(gè)理論框架，而 BASE 理論則提供了一種實(shí)際操作的指導(dǎo)原則。

5.1 基本可用

BASE 理論認(rèn)為，分布式系統(tǒng)在面臨故障或異常情況時(shí)，可以選擇降低性能或一致性要求，以保持基本的可用性。

這意味著系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)一些短暫的不一致性，但最終會(huì)達(dá)到一致狀態(tài)。

正如一個(gè)銀行系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般有功能需求和非功能需求，我們首先需要保證核心功能需求的基本可用性。

功能需求

在銀行系統(tǒng)里，用戶提款、轉(zhuǎn)賬等交易模塊就是核心功能，是用戶的基本需求，不能出問題。

而非核心功能可以出現(xiàn)異常，但需要保證在一段時(shí)間內(nèi)修復(fù)。

非功能需求

非功能需求是指用戶業(yè)務(wù)不依賴的其它需求，比如性能相關(guān)的：要求用戶轉(zhuǎn)賬在 0.5 秒內(nèi)完成，但是由于網(wǎng)絡(luò)延遲等原因，可以延遲響應(yīng)至1~2 秒。

由于系統(tǒng)出現(xiàn)此類異常，從而影響了系統(tǒng)的高可用性，但核心流程依然可用，即基本可用性。

5.2 軟狀態(tài)

軟狀態(tài)是指系統(tǒng)服務(wù)可能處于中間狀態(tài)，數(shù)據(jù)在保證一致性的過程中可能延遲同步，但不會(huì)影響系統(tǒng)的可用性。

比如我們?cè)谫徺I火車票付款結(jié)束之后，就可能處在一個(gè)既沒有完全成功，也沒有失敗的中間等待狀態(tài)。用戶需要等待系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完全同步以后，才會(huì)得到是否購票成功的最終狀態(tài)。

BASE 理論認(rèn)識(shí)到，在分布式系統(tǒng)中，狀態(tài)可能會(huì)隨時(shí)間變化而軟化，而不是立即達(dá)到一致狀態(tài)。

這意味著我們需要容忍一些狀態(tài)的不確定性，比如我們?cè)诨疖嚻焙蜓a(bǔ)排隊(duì)時(shí)是不確定是否可以候補(bǔ)成功的。

5.3 最終一致性

最終一致性是 BASE 理論的核心思想。它指出，分布式系統(tǒng)可以在一段時(shí)間內(nèi)保持不一致狀態(tài)，但最終會(huì)收斂到一致狀態(tài)。

它不像強(qiáng)一致性那樣，需要分區(qū)數(shù)據(jù)保證實(shí)時(shí)一致，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)的同步代價(jià)過高。也不像弱一致性那樣，數(shù)據(jù)更新后不保證數(shù)據(jù)一致，導(dǎo)致后續(xù)的請(qǐng)求只能訪問到老數(shù)據(jù)。

當(dāng)前業(yè)界的分布式系統(tǒng)，甚至關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，大都是用最終一致性實(shí)現(xiàn)的。比如 MySQL 的主從備份，就是在一段時(shí)間內(nèi)通過 binlog 日志和監(jiān)聽線程讓從庫和主庫的數(shù)據(jù)保持最終一致。

總的來說，BASE 理論其實(shí)就是犧牲了各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性，允許不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在一段時(shí)間內(nèi)不一致，來獲得更高的性能和高可用性。

在單體系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫還能通過 ACID 來實(shí)現(xiàn)事務(wù)的強(qiáng)一致性，但分布式事務(wù)需要考慮節(jié)點(diǎn)通信的延遲和網(wǎng)絡(luò)故障。

所以，BASE 理論是我們?cè)趯?shí)際的分布式系統(tǒng)中經(jīng)常使用的方案。