22 | 想成为架构师，你必须知道CAP理论

CAP定理（CAP theorem）又被称作布鲁尔定理（Brewer's theorem），是加州大学伯克利分校的计算机科学家埃里克·布鲁尔（Eric Brewer）在2000年的ACM PODC上提出的一个猜想。2002年，麻省理工学院的赛斯·吉尔伯特（Seth Gilbert）和南希·林奇（Nancy Lynch）发表了布鲁尔猜想的证明，使之成为分布式计算领域公认的一个定理。对于设计分布式系统的架构师来说，CAP是必须掌握的理论。

布鲁尔在提出CAP猜想的时候，并没有详细定义Consistency、Availability、Partition Tolerance三个单词的明确定义，因此如果初学者去查询CAP定义的时候会感到比较困惑，因为不同的资料对CAP的详细定义有一些细微的差别，例如：

Consistency: where all nodes see the same data at the same time.

Availability: which guarantees that every request receives a response about whether it succeeded or failed.

Partition tolerance: where the system continues to operate even if any one part of the system is lost or fails.

(https://console.bluemix.net/docs/services/Cloudant/guides/cap_theorem.html#cap-)

Consistency: Every read receives the most recent write or an error.

Availability: Every request receives a (non-error) response – without guarantee that it contains the most recent write.

Partition tolerance: The system continues to operate despite an arbitrary number of messages being dropped (or delayed) by the network between nodes.

(https://en.wikipedia.org/wiki/CAP_theorem#cite_note-Brewer2012-6)

Consistency: all nodes have access to the same data simultaneously.

Availability: a promise that every request receives a response, at minimum whether the request succeeded or failed.

Partition tolerance: the system will continue to work even if some arbitrary node goes offline or can’t communicate.

(https://www.teamsilverback.com/understanding-the-cap-theorem/)

为了更好地解释CAP理论，我挑选了Robert Greiner（http://robertgreiner.com/about/）的文章作为参考基础。有趣的是，Robert Greiner对CAP的理解也经历了一个过程，他写了两篇文章来阐述CAP理论，第一篇被标记为“outdated”（有一些中文翻译文章正好参考了第一篇），我将对比前后两篇解释的差异点，通过对比帮助你更加深入地理解CAP理论。

CAP理论

第一版解释：

Any distributed system cannot guaranty C, A, and P simultaneously.

（http://robertgreiner.com/2014/06/cap-theorem-explained/）

简单翻译为：对于一个分布式计算系统，不可能同时满足一致性（Consistence）、可用性（Availability）、分区容错性（Partition Tolerance）三个设计约束。

第二版解释：

In a distributed system (a collection of interconnected nodes that share data.), you can only have two out of the following three guarantees across a write/read pair: Consistency, Availability, and Partition Tolerance - one of them must be sacrificed.

（http://robertgreiner.com/2014/08/cap-theorem-revisited/）

简单翻译为：在一个分布式系统（指互相连接并共享数据的节点的集合）中，当涉及读写操作时，只能保证一致性（Consistence）、可用性（Availability）、分区容错性（Partition Tolerance）三者中的两个，另外一个必须被牺牲。

对比两个版本的定义，有几个很关键的差异点：

• 第二版定义了什么才是CAP理论探讨的分布式系统，强调了两点：interconnected和share data，为何要强调这两点呢？ 因为分布式系统并不一定会互联和共享数据。最简单的例如Memcache的集群，相互之间就没有连接和共享数据，因此Memcache集群这类分布式系统就不符合CAP理论探讨的对象；而MySQL集群就是互联和进行数据复制的，因此是CAP理论探讨的对象。

• 第二版强调了write/read pair，这点其实是和上一个差异点一脉相承的。也就是说，CAP关注的是对数据的读写操作，而不是分布式系统的所有功能。例如，ZooKeeper的选举机制就不是CAP探讨的对象。

相比来说，第二版的定义更加精确。

虽然第二版的定义和解释更加严谨，但内容相比第一版来说更加难记一些，所以现在大部分技术人员谈论CAP理论时，更多还是按照第一版的定义和解释来说的，因为第一版虽然不严谨，但非常简单和容易记住。

第二版除了基本概念，三个基本的设计约束也进行了重新阐述，我来详细分析一下。

1.一致性（Consistency）

第一版解释：

All nodes see the same data at the same time.

简单翻译为：所有节点在同一时刻都能看到相同的数据。

第二版解释：

A read is guaranteed to return the most recent write for a given client.

简单翻译为：对某个指定的客户端来说，读操作保证能够返回最新的写操作结果。

第一版解释和第二版解释的主要差异点表现在：

• 第一版从节点node的角度描述，第二版从客户端client的角度描述。

相比来说，第二版更加符合我们观察和评估系统的方式，即站在客户端的角度来观察系统的行为和特征。

• 第一版的关键词是see，第二版的关键词是read。

第一版解释中的see，其实并不确切，因为节点node是拥有数据，而不是看到数据，即使要描述也是用have；第二版从客户端client的读写角度来描述一致性，定义更加精确。

• 第一版强调同一时刻拥有相同数据（same time + same data），第二版并没有强调这点。

这就意味着实际上对于节点来说，可能同一时刻拥有不同数据（same time + different data），这和我们通常理解的一致性是有差异的，为何做这样的改动呢？其实在第一版的详细解释中已经提到了，具体内容如下：

A system has consistency if a transaction starts with the system in a consistent state, and ends with the system in a consistent state. In this model, a system can (and does) shift into an inconsistent state during a transaction, but the entire transaction gets rolled back if there is an error during any stage in the process.

参考上述的解释，对于系统执行事务来说，在事务执行过程中，系统其实处于一个不一致的状态，不同的节点的数据并不完全一致，因此第一版的解释“All nodes see the same data at the same time”是不严谨的。而第二版强调client读操作能够获取最新的写结果就没有问题，因为事务在执行过程中，client是无法读取到未提交的数据的，只有等到事务提交后，client才能读取到事务写入的数据，而如果事务失败则会进行回滚，client也不会读取到事务中间写入的数据。

2.可用性（Availability）

第一版解释：

Every request gets a response on success/failure.

简单翻译为：每个请求都能得到成功或者失败的响应。

第二版解释：

A non-failing node will return a reasonable response within a reasonable amount of time (no error or timeout).

简单翻译为：非故障的节点在合理的时间内返回合理的响应（不是错误和超时的响应）。

第一版解释和第二版解释主要差异点表现在：

• 第一版是every request，第二版强调了A non-failing node。

第一版的every request是不严谨的，因为只有非故障节点才能满足可用性要求，如果节点本身就故障了，发给节点的请求不一定能得到一个响应。

• 第一版的response分为success和failure，第二版用了两个reasonable：reasonable response 和reasonable time，而且特别强调了no error or timeout。

第一版的success/failure的定义太泛了，几乎任何情况，无论是否符合CAP理论，我们都可以说请求成功和失败，因为超时也算失败、错误也算失败、异常也算失败、结果不正确也算失败；即使是成功的响应，也不一定是正确的。例如，本来应该返回100，但实际上返回了90，这就是成功的响应，但并没有得到正确的结果。相比之下，第二版的解释明确了不能超时、不能出错，结果是合理的，注意没有说“正确”的结果。例如，应该返回100但实际上返回了90，肯定是不正确的结果，但可以是一个合理的结果。

3.分区容忍性（Partition Tolerance）

第一版解释：

System continues to work despite message loss or partial failure.

简单翻译为：出现消息丢失或者分区错误时系统能够继续运行。

第二版解释：

The system will continue to function when network partitions occur.

简单翻译为：当出现网络分区后，系统能够继续“履行职责”。

第一版解释和第二版解释主要差异点表现在：

• 第一版用的是work，第二版用的是function。

work强调“运行”，只要系统不宕机，我们都可以说系统在work，返回错误也是work，拒绝服务也是work；而function强调“发挥作用”“履行职责”，这点和可用性是一脉相承的。也就是说，只有返回reasonable response才是function。相比之下，第二版解释更加明确。

• 第一版描述分区用的是message loss or partial failure，第二版直接用network partitions。

对比两版解释，第一版是直接说原因，即message loss造成了分区，但message loss的定义有点狭隘，因为通常我们说的message loss（丢包），只是网络故障中的一种；第二版直接说现象，即发生了分区现象，不管是什么原因，可能是丢包，也可能是连接中断，还可能是拥塞，只要导致了网络分区，就通通算在里面。

CAP应用

虽然CAP理论定义是三个要素中只能取两个，但放到分布式环境下来思考，我们会发现必须选择P（分区容忍）要素，因为网络本身无法做到100%可靠，有可能出故障，所以分区是一个必然的现象。如果我们选择了CA而放弃了P，那么当发生分区现象时，为了保证C，系统需要禁止写入，当有写入请求时，系统返回error（例如，当前系统不允许写入），这又和A冲突了，因为A要求返回no error和no timeout。因此，分布式系统理论上不可能选择CA架构，只能选择CP或者AP架构。

1.CP - Consistency/Partition Tolerance

如下图所示，为了保证一致性，当发生分区现象后，N1节点上的数据已经更新到y，但由于N1和N2之间的复制通道中断，数据y无法同步到N2，N2节点上的数据还是x。这时客户端C访问N2时，N2需要返回Error，提示客户端C“系统现在发生了错误”，这种处理方式违背了可用性（Availability）的要求，因此CAP三者只能满足CP。



2.AP - Availability/Partition Tolerance

如下图所示，为了保证可用性，当发生分区现象后，N1节点上的数据已经更新到y，但由于N1和N2之间的复制通道中断，数据y无法同步到N2，N2节点上的数据还是x。这时客户端C访问N2时，N2将当前自己拥有的数据x返回给客户端C了，而实际上当前最新的数据已经是y了，这就不满足一致性（Consistency）的要求了，因此CAP三者只能满足AP。注意：这里N2节点返回x，虽然不是一个“正确”的结果，但是一个“合理”的结果，因为x是旧的数据，并不是一个错乱的值，只是不是最新的数据而已。



小结

今天我为你讲了CAP理论，通过对比两个不同版本的CAP理论解释，详细地分析了CAP理论的准确定义，希望对你有所帮助。

这就是今天的全部内容，留一道思考题给你吧，基于Paxos算法构建的分布式系统，属于CAP架构中的哪一种？谈谈你的分析和理解。

欢迎你把答案写到留言区，和我一起讨论。相信经过深度思考的回答，也会让你对知识的理解更加深刻。（编辑乱入：精彩的留言有机会获得丰厚福利哦！）