概述 CAP 和 BASE 理論

基本上接觸過分散式系統的朋友都知道 CAP 和 BASE 理論，這兩個理論對工程實踐中的分散式架構設計具有重要的影響。CAP 理論是加州大學伯克利分校的 Eric Brewer 教授提出的，並被 MIT 的 Seth Gilbert 和 Nancy Lynch 使用學術理論進行了嚴格的證明。

CAP 和 BASE 理論都有數學證明，但今天打算以一種輕鬆些的方式來最兩個理論做個淺顯的解釋。

最近偶爾刷一集《大明王朝1566》，這部劇之前看過開頭幾集，後來因為畫質差沒資源沒有繼續看，最近優酷貌似重製了，清晰度好了一些，就偶爾有時間刷一集，這真是一部好劇啊。今天就拿大明王朝的故事背景來對 CAP 和 BASE 理論做個介紹吧，希望不會寫的太爛。

大明王朝故事背景

歷史上學過明朝設有內閣和司禮監，皇帝通過管理內閣和司禮監來管理天下，這種機制其實應該是很先進的皇權機制了。不過，明嘉靖帝，沉迷修道昇仙，執政期間嚴嵩父子把持朝政、一手遮天、貪墨不計其數。雖說內閣和司禮監腐敗嚴重，但劇裡內閣的嚴嵩和司禮監的呂公公在決策上還是會聽皇帝的。這就不講了，現在迴歸主題吧，現在主要引入劇中的如下幾個人：

• 嘉靖：明朝皇帝，對於重要決策，一般會聯合內閣和司禮監進行商討，最終各方達成一致；
• 嚴嵩：內閣首輔，主要管理兩京一十三省的各地官員；
• 呂芳：司禮監總管，主要管理宮廷有關的事宜；
• 楊金水：呂芳乾兒子，任浙江任織造局總管，主要負責江浙織造絲綢管理，賣絲綢，其實就是替皇帝做生意的；
• 鄭泌昌、何茂才：嚴嵩手下，一個任浙江巡撫，一個是按察使，屬封疆大吏；
• 海瑞：時任杭州淳安縣知縣，由裕王舉薦而來，奉命處理堤壩決堤後的賑災事情；

為什麼 CAP 無法同時被滿足？

故事發生時，南有戚繼光抗倭激戰，北有韃靼入侵，急需大量軍需，然經過長達二十多年的朝政腐敗，國庫空虛，皇帝經過與內閣和司禮監商量後，決定在浙江推行改稻為桑的國策，就是把稻田改為桑田養蠶生絲，進而多織絲綢出口賺錢，然而遭到農民反對，鄭必昌何茂才在收到嚴嵩兒子密令後，決定決堤淹城，以達到改稻為桑的目的，事發後，淳安全部被淹、建德半數被淹，災民無數。這時，海瑞出場了，其到達淳安後，發現貪腐嚴重，堤壩被毀另有隱情，阻止改稻為桑，決定一查到底。

海瑞畢竟是皇帝兒子舉薦的官兒，鄭何和楊金水等人不敢任意幹掉海瑞，只能上書上司，楊金水就寫信給呂芳，鄭何二人就寫信給嚴嵩兒子。因為改稻為桑推行不下去是大事啊，所以嚴嵩和呂芳都非常重視，收到來信後立即想了對策，然而兩人想的對策不一樣，等皇上來決定吧，決定完了下發到浙江官員。正巧這個時候嘉靖在修道昇仙，閉關不問世事。這樣，兩個人的意見不一致，並且無法達到統一，底下人都在等著回信，如果十天收不到回信下面可能就亂了，但是皇帝要閉關一個月。

上面這段陳述中：

• 皇帝閉關就相當於嚴嵩和呂芳達成一致的通道斷了，在分散式中就是兩個節點發生了網路分割槽；

• 底下人等著回信，十天沒收到回信就亂了，如果十天內收到了上面的回信，對應到分散式中就是保證了可用性；

• 嚴嵩和呂芳就意見無法達成一致，那麼對應到分散式中就是沒有保證一致性

再簡述一下分散式系統中 CAP 的意義：

• P 代表著分割槽容忍性，要滿足 P 就表示允許網路分割槽的發生(允許嘉靖帝閉關)；

• C 表示一致性，滿足 C 就要求所有節點資料需要一致(嚴嵩和呂芳意見應該達成一致)；

• A 表示可用性，就是說對於他人的請求，節點需要提供服務響應的返回(嚴嵩和呂芳不讓下面的人等過久)

那為什麼 CAP 無法同時滿足呢？

• 如果滿足 CP，那麼由於嘉靖帝閉關的一個月期間(P)，嚴嵩和呂芳無法通過嘉靖帝達成一致，如果要保證一致(C)，那就只能等嘉靖帝出關，然而這需要一個月的時間，下面的人早就等瘋了，這就相當於服務不可用了，所以無法滿足 A；

• 如果滿足 AP，那麼嚴嵩和呂芳必須在10天內回覆(A)，然而皇帝閉關一個月(P)，那麼兩人在十天內是無法達成一致的，也就是無法滿足 C；

• 如果滿足 CA，要在10天內回覆下層官員，另外嚴嵩和呂芳兩人也要意見一致，那隻能在10天內請皇帝出關了，那就無法滿足 P；

不知道這麼講是否夠明白，CAP三個要求是無法同時滿足的，那 BASE 理論在 CAP 的基礎上做了什麼讓步和平衡？下面一起來看看。

BASE 基於 CAP 做了什麼樣的權衡？

BASE 包含三個方面：Basically Available(基本可用)、Soft state(弱狀態)和 Eventually consistent(最終一致性)。我們從上面的故事來說一下這幾個概念。

對於分散式系統來說，必須要滿足分割槽容錯性，否則各個節點就相當於一個節點了，分散式就沒有任何意義了。在滿足分割槽容錯性的條件下：

• Basically Available

就是說節點在出現問題時，不是完全不可用，而是允許損失部分可用性。例如，嚴嵩和呂芳無法達成一致，這時不能讓下面等待一個月沒有回信，這時傳送一個降級的決策(例如讓下面官員先跟海瑞等進行斡旋，不讓其查到要命的證據)，或者下面官員自己先搞一些應對措施，然後加長等待時間(可以等待一個月)，這樣，整個系統不至於完全亂掉，而是先有一些應對措施。這就是基本可用。

• Soft state

嚴嵩和呂芳先將自己的第一個建議性的決策下發，等待皇帝出關後再進行一致性決策。在第一個建議性的決策到最終一致性決策期間，其實兩方的意見並不一致，BASE理論允許在一定時間記憶體在這種狀態。這就是軟狀態。

• Eventually consistent

在皇帝出關後，呂芳嚴嵩立即與皇帝協商，然後得到一致的決策。這個時候，如果下面應付不了，那麼會再次上書，這時，嚴嵩呂芳已經有了一致的結論，那麼再次下發給下層官員時，就是一致的決策了，這樣鄭必昌、何茂才、楊金水就可以已一致性的態度對待海瑞了。這就是最終一致性。