之前我們討論了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫事務(wù)的 ACID 特性：?解讀事務(wù)的ACID！?其實傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和 NoSQL 中對于可用性、一致性的理解不一樣。 因為有時候會聽到一些新型數(shù)據(jù)庫宣稱滿足強一致、高可用、且多地多中心容忍網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，但是 CAP 不是說不能三者同時滿足嗎？這些矛盾來源于對 CAP 理解有偏差。今天來討論一下 NoSQL 的 CAP 理論。

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NoSQL數(shù)據(jù)庫

一種新技術(shù)的出現(xiàn)是需求推動的，那么對數(shù)據(jù)庫的什么需求推動了 NoSQL 的出現(xiàn)呢？看看傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫在使用時的一些問題：

（1）大數(shù)據(jù)量情況下吞吐率達不到要求，有單點瓶頸。

（2）事務(wù)的ACID特性要求太高，很多應(yīng)用場景不需要這個約束。

（3）具有單點故障，機器宕機后就沒法用了，雖然可以做主從，但是還需要人為干預(yù)，有一段時間不可用。

（4）單節(jié)點存不下全部數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)容易丟失，不做主備的話數(shù)據(jù)只有一份，磁盤壞掉數(shù)據(jù)就丟了。

因此，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫一般應(yīng)用于銀行系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)這些對操作的要求比較高或者數(shù)據(jù)量不大的場景。而一些需要高可用性的應(yīng)用，如Facebook、淘寶、亞馬遜等，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫就無法滿足要求。

于是，人們希望拋棄傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的思想，構(gòu)建分布式 NoSQL 數(shù)據(jù)庫，這種數(shù)據(jù)庫有下面幾個目標(biāo)：

（1）每個節(jié)點都可以提供讀寫服務(wù)，提高系統(tǒng)吞吐率，可動態(tài)增刪節(jié)點，集群的吞吐率隨著節(jié)點的增加而線性增長。

（2）去掉了事務(wù)，只提供比較簡單的讀寫接口。

（3）避免單點故障，由多個節(jié)點組成的集群，一個節(jié)點壞了其他節(jié)點還能提供服務(wù)。

（4）所有節(jié)點的磁盤都可以用來存儲數(shù)據(jù)，提供分布式存儲能力。

（5）為保證數(shù)據(jù)不丟失，采用副本機制，一個數(shù)據(jù)存多份，分別放在不同節(jié)點。

（6）為了控制數(shù)據(jù)的存儲位置，還提出了數(shù)據(jù)分區(qū)的概念。

CAP理論

1998年 UC Berkeley 的 Eric Brewer 提出了 CAP 理論，1999年一篇論文進行了總結(jié)

http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.67.6951&rep=rep1&type=pdf

在構(gòu)建 NoSQL 數(shù)據(jù)庫時，往往需要在很多方面做平衡。Brewer 在2000年左右提出了 CAP 理論， Consistency、Availability、Partition Tolerance 的首字母縮寫。

CAP理論：一個分布式系統(tǒng)不可能同時滿足一致性、可用性和分區(qū)容錯性，最多只能同時滿足其中的兩個。

這個分布式系統(tǒng)一般是指在異步網(wǎng)絡(luò)中的，異步網(wǎng)絡(luò)中沒有全局時鐘，節(jié)點只能根據(jù)接收到的消息和本地計算做決策。

有的對 CAP 的誤解也來源于對這三個性質(zhì)的具體含義不清，下面我們先看看這三個性質(zhì)分別指什么。

一致性

CAP 的一致性與傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中 ACID 的 C 不一樣。ACID 中的 C 關(guān)心的是數(shù)據(jù)庫中的約束，有對單個數(shù)據(jù)值的約束，也有對多個數(shù)據(jù)之間值的約束。而CAP 的一致性關(guān)心的是一個數(shù)據(jù)項不同副本的值是否相同。

在 NoSQL 數(shù)據(jù)庫中，由于數(shù)據(jù)有多個副本，一個寫操作需要更新所有副本，由于存在節(jié)點間通訊的延遲，可能有的節(jié)點的副本被更新了，有的還是舊值，這時讀取不同的副本返回的值就會不一致。因此，CAP 中的一致性指的是副本一致性，或者相互一致性（mutual Consistency），他們和一個瞬時狀態(tài)有關(guān)，這個狀態(tài)叫相互一致：

相互一致：如果系統(tǒng)中每個數(shù)據(jù)項的所有副本的值都相同，那么系統(tǒng)處于相互一致的狀態(tài)。在某一時刻，這個狀態(tài)只有滿足或不滿足兩種情況。

我們可以認(rèn)為 NoSQL 數(shù)據(jù)庫僅提供簡單的對單個數(shù)據(jù)項的讀寫操作，如 write(a)，read(b)，write(b)等，在這種情況下，一致性的表現(xiàn)就和不同節(jié)點間讀寫操作的順序有關(guān)了。因此，很多一致性級別在規(guī)定讀寫操作的順序和結(jié)果。

CAP中的一致性指的是強一致性：當(dāng)更新事務(wù)提交時，所有副本處于相互一致的狀態(tài)。

從操作的角度看：所有操作必須存在一個全局唯一順序，使每個操作看起來好像是在一個瞬間完成的。在這種情況下，在一個寫操作之后的讀操作可以讀到這個寫的值。

所有節(jié)點都可以讀到已經(jīng)更新的結(jié)果，看起來就像是一個單機數(shù)據(jù)庫，而且操作是串行的，和ACID隔離性中的可串行化隔離級別一樣。

可用性

CAP 中的可用性指的是系統(tǒng)每個節(jié)點都能處理請求（接收請求并返回結(jié)果）。

而一般傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的可用性是指系統(tǒng)做為一個整體能否對外提供服務(wù)，只要有一個節(jié)點或多數(shù)節(jié)點能提供響應(yīng)就可以稱為可用。

分區(qū)容忍性

分區(qū)就是網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，即一個集群被分割成了多個分區(qū)，每個分區(qū)內(nèi)部的節(jié)點可以通信，而無法跨分區(qū)交流，而且這個分區(qū)要假設(shè)是可能永久存在的。網(wǎng)路分區(qū)是分布式系統(tǒng)中逃不掉的。

而分區(qū)容忍性則是說在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)時，系統(tǒng)能否正常對外提供服務(wù)。

舉例

這張圖是CAP里比較經(jīng)典的圖了。由于沒有NoSQL同時滿足三個，因此只能二選一。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由于只有一個節(jié)點，沒有網(wǎng)絡(luò)分區(qū)問題，正常情況下可以實現(xiàn)強一致性和可用性。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的主備技術(shù)則是犧牲了可用性來保證一致性。

由于 NoSQL 數(shù)據(jù)庫中網(wǎng)絡(luò)分區(qū)是不可避免的，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)時，如下圖左圖，當(dāng)接收到一個寫操作 A=2（這個寫請求只會被發(fā)送到一個節(jié)點上），我們假設(shè)每個節(jié)點執(zhí)行操作需要得到另外兩個節(jié)點的認(rèn)可才能執(zhí)行并返回結(jié)果。這時只能在一致性和可用性里二選一。

如果保證一致性，那么任何接收到請求的節(jié)點都無法收到全部節(jié)點的認(rèn)同，所以這個操作會被懸掛，最終返回超時或執(zhí)行錯誤。

如果保證可用性，可能有一個網(wǎng)絡(luò)分區(qū)接收到這個寫請求，并在當(dāng)前分區(qū)內(nèi)同步寫請求，這是就會與另一個分區(qū)數(shù)據(jù)不一致。這個分區(qū)是隨機的，可能是上圖所示的 N3，也可能是 N1 和 N2。

總結(jié)

有人詬病 CAP 理論，認(rèn)為 CAP 中的 P 是廢話，或者 CAP 太簡單了，沒有量化，對實際系統(tǒng)的構(gòu)建沒有具體的指導(dǎo)意義。比如我要犧牲一致性，犧牲到什么程度？一致性也有很多種級別，強一致性、因果一致性、最終一致性等。這個在 CAP 中是沒有說的。這確實是 CAP 理論的局限，但是 CAP 理論讓人們在構(gòu)建系統(tǒng)時，聚焦于這三個性質(zhì)，并從這三個方面來進行權(quán)衡。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的NoSQL 与 CAP 理论的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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