CAP原理和BASE思想 ACID模型

本文深入探讨了分布式领域的CAP理论,解释了Consistency、Availability和Partitiontolerance的概念,并介绍了关系数据库的ACID模型与BASE模型的区别。BASE模型强调了基本可用性、软状态和最终一致性,为分布式系统提供了更为灵活的解决方案。

分布式领域CAP理论,
Consistency(一致性), 数据一致更新,所有数据变动都是同步的
Availability(可用性), 好的响应性能
Partition tolerance(分区容错性) 可靠性

定理:任何分布式系统只可同时满足二点,没法三者兼顾。
忠告:架构师不要将精力浪费在如何设计能满足三者的完美分布式系统,而是应该进行取舍。

关系数据库的ACID模型拥有 高一致性 + 可用性 很难进行分区:
Atomicity原子性:一个事务中所有操作都必须全部完成,要么全部不完成。
Consistency一致性. 在事务开始或结束时,数据库应该在一致状态。
Isolation隔离层. 事务将假定只有它自己在操作数据库,彼此不知晓。
Durability. 一旦事务完成,就不能返回。
跨数据库事务:2PC (two-phase commit), 2PC is the anti-scalability pattern (Pat Helland) 是反可伸缩模式的,JavaEE中的JTA事务可以支持2PC。因为2PC是反模式,尽量不要使用2PC,使用BASE来回避。

BASE模型反ACID模型,完全不同ACID模型,牺牲高一致性,获得可用性或可靠性:
Basically Available基本可用。支持分区失败(e.g. sharding碎片划分数据库)
Soft state软状态 状态可以有一段时间不同步,异步。
Eventually consistent最终一致,最终数据是一致的就可以了,而不是时时高一致。

BASE思想的主要实现有
1.按功能划分数据库
2.sharding碎片

BASE思想主要强调基本的可用性,如果你需要High 可用性,也就是纯粹的高性能,那么就要以一致性或容错性为牺牲,BASE思想的方案在性能上还是有潜力可挖的。

现在NoSQL运动丰富了拓展了BASE思想,可按照具体情况定制特别方案,比如忽视一致性,获得高可用性等等,NOSQL应该有下面两个流派:
1. Key-Value存储,如Amaze Dynamo等,可根据CAP三原则灵活选择不同倾向的数据库产品。
2. 领域模型 + 分布式缓存 + 存储 (Qi4j和NoSQL运动),可根据CAP三原则结合自己项目定制灵活的分布式方案,难度高。

这两者共同点:都是关系数据库SQL以外的可选方案,逻辑随着数据分布,任何模型都可以自己持久化,将数据处理和数据存储分离,将读和写分离,存储可以是异步或同步,取决于对一致性的要求程度。

不同点:NOSQL之类的Key-Value存储产品是和关系数据库头碰头的产品BOX,可以适合非Java如PHP RUBY等领域,是一种可以拿来就用的产品,而领域模型 + 分布式缓存 + 存储是一种复杂的架构解决方案,不是产品,但这种方式更灵活,更应该是架构师必须掌握的。

### 分布式系统中解决一致性问题的方法 在分布式系统中,解决一致性问题是核心挑战之一。为了应对这一挑战,通常采用多种策略技术手段。 #### 1. CAP 原理概述 CAP定理指出,在一个分布式计算环境中,不可能同时满足以下三个需求: - **一致性 (Consistency)**:所有节点在同一时间拥有相同的数据副本。 - **可用性 (Availability)**:每次请求都能收到响应,不论成功或失败。 - **分区容忍性 (Partition Tolerance)**:即使遇到任意数量的消息丢失或部分故障的情况下仍能继续操作[^1]。 由于分区容忍性几乎是现代互联网应用不可或缺的需求,因此实际上是在一致性可用性之间做出权衡。 #### 2. ACID BASE 的对比 传统的事务处理遵循ACID原则——原子性(Atomicity)、一致性(Consistency)、隔离性(Isolation)持久性(Durability),这四个属性共同确保了单机环境下数据库交易的安全可靠执行。然而,在大规模分布式的背景下,严格遵守ACID可能会极大地影响系统的性能与伸缩能力。 相比之下,BASE理论则提出了另一种思路: - **基本上可用(Basically Available, BA)**:即便某些组件失效,整个服务仍然能够对外提供最基本的服务功能; - **软状态(Soft State, SS)**:允许存在短暂的时间窗口期内各节点间数据不同步的现象; - **最终一致性(Eventual Consistency, EC)**:经过一定延迟之后,所有的更新都会传播至全部节点并达成全局一致的状态[^2]。 这种模式更适合于那些对实时性强求不高但追求极致用户体验的应用场景。 #### 3. 实现最终一致性的具体措施 为了实现最终一致性,常见的做法包括但不限于: - 使用异步复制机制代替同步提交确认流程; - 引入版本号或者向量时钟来追踪对象的历史变更记录; - 设计幂等接口以防止重复消息造成逻辑错误; - 应用补偿型事务模型处理跨多个资源管理器的操作序列。 ```python def apply_eventually_consistent_update(data_store, key, value): try: data_store[key].append(value) # 添加新值而不是覆盖旧值 except KeyError: data_store[key] = [value] # 示例调用 data_storage = {} apply_eventually_consistent_update(data_storage, 'item', 'new_value') print(data_storage) ``` 上述代码展示了如何在一个简单的字典结构上实施增量式的更新方式,从而支持多源并发写入的同时保持历史信息完整无损。 ### 结合ACIDBASE的设计考量 值得注意的是,并不是所有的业务场景都适合单纯依赖BASE理念构建;相反地,很多情况下还需要兼顾一定的强一致性保障。比如金融支付领域就更倾向于优先考虑安全性而非即时反馈速度。所以在实际项目开发当中,应当依据特定应用场景的具体特征灵活调整设计方案,合理分配各个模块所应具备的一致性级别[^4]。
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