柚子快報(bào)邀請(qǐng)碼778899分享：分布式理論基礎(chǔ)

http://yzkb.51969.com/

文章目錄

1、理論基礎(chǔ)2、CAP定理1_一致性2_可用性3_分區(qū)容錯(cuò)性4_總結(jié)

3、BASE理論1_Basically Available（基本可用）2_Soft State（軟狀態(tài)）3_Eventually Consistent（最終一致性）4_總結(jié)

1、理論基礎(chǔ)

在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，分布式一致性是一個(gè)相當(dāng)重要的問(wèn)題。

分布式系統(tǒng)要解決的一個(gè)重要問(wèn)題是數(shù)據(jù)復(fù)制。

數(shù)據(jù)復(fù)制為分布式系統(tǒng)帶來(lái)了高可用、高性能，但也同時(shí)帶來(lái)了分布式一致性挑戰(zhàn)：在對(duì)一個(gè)副本數(shù)據(jù)進(jìn)行更新時(shí)，必須確保也更新其他副本，否則不同副本的數(shù)據(jù)將不一致。

如何解決這個(gè)問(wèn)題 ？

一種思路是：阻塞 “寫” 操作，直到數(shù)據(jù)復(fù)制完成。

但這個(gè)思路在解決一致性問(wèn)題的同時(shí)，又帶來(lái)了 “寫” 操作性能低的問(wèn)題。

如果有高并發(fā)的 “寫” 請(qǐng)求，則在使用這個(gè)思路之后，大量 “寫” 請(qǐng)求阻塞，導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能急劇下降。

如何既保證數(shù)據(jù)的一致性，又不影響系統(tǒng)運(yùn)行的性能，是每一個(gè)分布式系統(tǒng)都需要重點(diǎn)考慮和權(quán)衡的問(wèn)題。

如何實(shí)現(xiàn)一種既能保證ACID特性，又能保證高性能的分布式事務(wù)處理系統(tǒng)是一個(gè)世界性難題。

在技術(shù)演進(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)了諸如CAP和BASE 這樣的分布式系統(tǒng)理論。

2、CAP定理

1998年，加州大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Eric Brewer 提出，分布式系統(tǒng)有三個(gè)指標(biāo)。

Consistency（一致性）Availability（可用性）Partition tolerance （分區(qū)容錯(cuò)性）

它們的第一個(gè)字母分別是 C、A、P。

Eric Brewer 說(shuō)，這三個(gè)指標(biāo)不可能同時(shí)做到，這個(gè)結(jié)論就叫做 CAP 定理。

CAP定理是分布式系統(tǒng)的指導(dǎo)理論，它指出：一個(gè)分布式系統(tǒng)不可能同時(shí)滿足 一致性(C: Consistency)、可用性(A: Availability) 和 分區(qū)容錯(cuò)性(P: PartitionTolerance) 這3個(gè)需求，最多只能同時(shí)滿足其中兩項(xiàng)。

1_一致性

Consistency (一致性)：指 "all nodes see the same data at the same time"，即更新操作成功并返回客戶端后，所有節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間的數(shù)據(jù)完全一致，這就是分布式的一致性。

一致性的問(wèn)題在并發(fā)系統(tǒng)中不可避免，對(duì)于客戶端來(lái)說(shuō)，一致性指的是并發(fā)訪問(wèn)時(shí)更新過(guò)的數(shù)據(jù)如何獲取的問(wèn)題。

從服務(wù)端來(lái)看，則是更新如何復(fù)制分布到整個(gè)系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)最終一致。

這里的一致性是指強(qiáng)一致性，一般關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)就具有強(qiáng)-致性特性。

2_可用性

Availability (可用性)：指 "Reads and writes always succeed"，即服務(wù)一直可用，而且是正常響應(yīng)時(shí)間。

好的可用性主要是指系統(tǒng)能夠很好的為用戶服務(wù)，不出現(xiàn)用戶操作失敗或者訪問(wèn)超時(shí)等用戶體驗(yàn)不好的情況。

3_分區(qū)容錯(cuò)性

Partition Tolerance (分區(qū)容錯(cuò)性)：指 "the system continues to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the system"，即分布式系統(tǒng)在遇到某節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)分區(qū)故障的時(shí)候，仍然能夠?qū)ν馓峁M足一致性和可用性的服務(wù)。

分區(qū)容錯(cuò)性要求能夠使應(yīng)用雖然是一個(gè)分布式系統(tǒng)，而看上去卻好像是在一個(gè)可以運(yùn)轉(zhuǎn)正常的整體。

比如現(xiàn)在的分布式系統(tǒng)中有某一個(gè)或者幾個(gè)機(jī)器宕掉或失聯(lián)了，其他剩下的機(jī)器還能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)滿足系統(tǒng)需求，對(duì)于用戶而言并沒有什么體驗(yàn)上的影響。

因?yàn)榉植际较到y(tǒng)無(wú)法同時(shí)滿足一致性、可用性、分區(qū)容錯(cuò)性這3個(gè)基本需求，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)分布式系統(tǒng)時(shí)就必須有所取舍。

對(duì)于分布式系統(tǒng)而言，分區(qū)容錯(cuò)性是最基本的要求，因?yàn)榧热皇且粋€(gè)分布式系統(tǒng)，那么分布式系統(tǒng)中的組件必然會(huì)被部署到不同的節(jié)點(diǎn)，否則也就無(wú)所謂分布式系統(tǒng)了，因此必然會(huì)出現(xiàn)子網(wǎng)絡(luò)。

而對(duì)于分布式系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)又必定會(huì)出現(xiàn)異常情況因此，分區(qū)容錯(cuò)性就成為了分布式系統(tǒng)必然需要面對(duì)和解決的問(wèn)題。

4_總結(jié)

在分布式系統(tǒng)中，系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)不能100%保證健康，一定會(huì)有故障的時(shí)候，而服務(wù)有必須對(duì)外保證服務(wù)。因此Partition Tolerance 不可避免。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到新的數(shù)據(jù)變更時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題了：

如果此時(shí)要保證一致性，就必須等待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，完成數(shù)據(jù)同步后，整個(gè)集群才對(duì)外提供服務(wù)，服務(wù)處于阻塞狀態(tài)，不可用。

如果此時(shí)要保證可用性，就不能等待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，那 node01、node02 與 node03 之間就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致。

也就是說(shuō)，在P一定會(huì)出現(xiàn)的情況下，A和C之間只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)。

CP without A，即實(shí)現(xiàn)一致性和分區(qū)容錯(cuò)性。

此組合為數(shù)據(jù)強(qiáng)一致性模式，即要求在多服務(wù)之間數(shù)據(jù)一定要一致，弱化了可用性。 一些對(duì)數(shù)據(jù)要求比較高的場(chǎng)景(比如金融業(yè)務(wù)等)使用此模式，這種模式性能偏低。 常用方案有 XA 兩階段提交、Seata AT 模式的“讀已提交”級(jí)別等。

AP without C，即實(shí)現(xiàn)可用性和分區(qū)容錯(cuò)性。

此組合為數(shù)據(jù)最終一致性模式，即要求所有服務(wù)都可用，弱化了一致性。 互聯(lián)網(wǎng)分布式服務(wù)多數(shù)基于AP，這種模式性能高，可以滿足高并發(fā)的業(yè)務(wù)需求。 常用方案有TCC、基于消息的最終一致性、Saga等。

CA without P，即實(shí)現(xiàn)一致性和可用性:

如果不要求P(不允許分區(qū))，則C(強(qiáng)一致性）和A(可用性）是可以保證的。 但放棄P的同時(shí)也就意味著放棄了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，也就是分布式節(jié)點(diǎn)受限，沒辦法部署子節(jié)點(diǎn)，這是違背分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷的。

系統(tǒng)架構(gòu)師往往需要把精力花在如何根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)在 C(一致性) 和 A(可用性) 之間做選擇，即選擇 CP 還是 AP。

3、BASE理論

BASE是 Basically Available(基本可用)、Soft State(軟狀態(tài)) 和 EventuallyConsistency(最終一致性) 這3個(gè)短語(yǔ)的縮寫。

BASE理論是對(duì)CAP中的一致性及可用性進(jìn)行權(quán)衡的結(jié)果，其核心思想是：無(wú)法做到強(qiáng)一致性，那么可以通過(guò)犧牲強(qiáng)一致性來(lái)獲得可用性。

BASE理論是對(duì)CAP的一種解決思路，包含三個(gè)思想：

1_Basically Available（基本可用）

基本可用是對(duì) A(可用性) 的一個(gè)妥協(xié)，即在分布式系統(tǒng)出現(xiàn)不可預(yù)知故障時(shí)，允許損失部分可用性。比如在秒殺場(chǎng)景和雪崩的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下進(jìn)行降級(jí)處理，使核心功能可用，而不是所有的功能可用。

分布式系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)，允許損失部分可用性，即保證核心可用。

2_Soft State（軟狀態(tài)）

軟狀態(tài)是相對(duì)于原子性而言的。

要求多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)副本是一致的，這是一種“硬狀態(tài)”。

“軟狀態(tài)” 指的是：允許系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存在中間狀態(tài)，并認(rèn)為該狀態(tài)不影響系統(tǒng)的整體可用性，即允許系統(tǒng)在多個(gè)不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)副本上存在數(shù)據(jù)延時(shí)。

在一定時(shí)間內(nèi)，允許出現(xiàn)中間狀態(tài)，比如臨時(shí)的不一致狀態(tài)。

3_Eventually Consistent（最終一致性）

不可能一直是 “軟狀態(tài)” ，必須有個(gè)時(shí)間期限。

在時(shí)間期限過(guò)后，應(yīng)當(dāng)保證所有副本保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的最終一致性。

這個(gè)時(shí)間期限取決于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、系統(tǒng)負(fù)載、數(shù)據(jù)復(fù)制方案設(shè)計(jì)等因素。

雖然無(wú)法保證強(qiáng)一致性，但是在軟狀態(tài)結(jié)束后，最終達(dá)到數(shù)據(jù)一致。

不只是分布式系統(tǒng)使用最終一致性，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)在某個(gè)功能上也使用最終一致性。

比如在備份時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)制過(guò)程是需要時(shí)間的，在這個(gè)復(fù)制過(guò)程中，業(yè)務(wù)讀取的值就是“舊”的。

當(dāng)然，最終還是達(dá)到了數(shù)據(jù)一致性。

4_總結(jié)

總體來(lái)說(shuō)，BASE 理論面向的是大型高可用、可擴(kuò)展的分布式系統(tǒng)。

不同于 ACID，BASE 理論提出通過(guò)犧牲強(qiáng)一致性來(lái)獲得可用性，并允許在一定時(shí)間內(nèi)的不一致，但是最終達(dá)到一致。

在實(shí)際的分布式場(chǎng)景中，不同業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的一致性要求不一樣。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，往往結(jié)合使用 ACID 和 BASE 理論。

柚子快報(bào)邀請(qǐng)碼778899分享：分布式理論基礎(chǔ)

http://yzkb.51969.com/

精彩鏈接