关于cap理论

CAP原则又称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),三者不可得兼。

  • 一致性(C):在分布式系统中的所有数据备份,在同一时刻是否同样的值。(等同于所有节点访问同一份最新的数据副本)
  • 可用性(A):在集群中一部分节点故障后,集群整体是否还能响应客户端的读写请求。(对数据更新具备高可用性)
  • 分区容忍性(P):以实际效果而言,分区相当于对通信的时限要求。系统如果不能在时限内达成数据一致性,就意味着发生了分区的情况,必须就当前操作在C和A之间做出选择。
Consistency (一致性) 实际上等同于系统领域的 before-or-after atomicity 这个术语,或者等同于 linearizable (可串行化) 这个术语。具体来说,系统中对一个数据的读和写虽然包含多个子步骤并且会持续一段时间才能执行完,但是在调用者看来,读操作和写操作都必须是单个的即时完成的操作,不存在重叠。对一个写操作,如果系统返回了成功,那么之后到达的读请求都必须读到这个新的数据;如果系统返回失败,那么所有的读,无论是之后发起的,还是和写同时发起的,都不能读到这个数据。

要做到 CP, 系统可以把这个数据只放在一个节点上,其他节点收到请求后向这个节点读或写数据,并返回结果。很显然,串行化是保证的。但是如果报文可以任意丢失的话,接受请求的节点就可能永远不返回结果。 

要做到 CA, 一个现实的例子就是单点的数据库。你可能会疑惑“数据库也不是 100% 可用的呀?” 要回答这个疑惑,注意上面说的故障模型和 availability 的定义就可以了。 

要做到 AP, 系统只要每次对写都返回成功,对读都返回固定的某个值就可以了。 
### CAP理论的核心概念 CAP理论指出,在分布式系统设计中,无法同时满足 **一致性(Consistency)**、**可用性(Availability)** 和 **分区容错性(Partition Tolerance)** 这三个特性[^1]。这意味着任何分布式系统都必须在这三项之间做出取舍。 #### 一致性和其重要性 在分布式环境中,**一致性**意味着所有的节点在同一时间拥有相同的数据副本。当客户端向任意节点请求数据时,都能获得最新的更新版本。然而,为了实现完全的一致性,可能需要牺牲系统的响应速度或者增加额外的同步开销[^4]。 #### 可用性的定义与挑战 **可用性**是指无论何时何地,只要有一个正常的请求到达系统中的某个健康节点上,那么该节点就应该返回有效结果给用户而不是错误信息或超时等待状态。高可用通常依赖冗余机制来保障服务连续运行即使部分组件失效也能继续工作。 #### 分区容忍度的意义及影响 最后一点也是最基础的要求——即所谓的“P”,代表的是对于网络分割情况下的适应能力或者说抗断连性能(Partition Tolerance)。由于现代互联网架构不可避免存在跨地域部署以及物理链路不稳定等问题,所以几乎所有的实际应用都需要考虑并接受一定程度上的PT约束条件[^2]。 实际上,“strong partition tolerance”被描述成一种非常严格的标准;而回顾CAP定理的发展历程可以发现关于这一术语的确切含义曾经有过不同的解释方向。 综上所述,在构建具体的解决方案之前,工程师们往往先明确业务需求优先级从而决定偏向哪种组合形式:CA(no P), CP(low A) 或 AP(flexible C)。 ```python class DistributedSystem: def __init__(self, consistency=True, availability=True, partition_tolerance=False): self.consistency = consistency self.availability = availability self.partition_tolerance = partition_tolerance def choose_tradeoff(self): if not self.partition_tolerance and all([self.consistency,self.availability]): return 'CA system' elif self.partition_tolerance and not self.availability: return 'CP system' elif self.partition_tolerance and not self.consistency: return 'AP system' ds_example = DistributedSystem(partition_tolerance=True) print(ds_example.choose_tradeoff()) ``` 上述代码片段展示了如何基于不同场景选择合适的CAP模型实例化对象,并判断属于哪一类权衡策略。
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