什麼是CAP定理？

來源：coderidea

CAP定理，也被稱為Brewer定理，是分散式計算中的一個概念，強調了分散式系統中一致性（Consistency）、可用性（Availability）、分割槽容忍性（Partition Tolerance）這三個關鍵屬性之間的固有權衡。CAP定理由電腦科學家Eric Brewer於2000年提出。

什麼是CAP？

以下是CAP定理的各個組成部分的簡要解釋：

1.一致性（Consistency）：

• 在分散式系統中，一致性意味著系統中的所有節點在同一時間看到相同的資料。換句話說，當發生寫操作時，所有後續的讀操作都應反映該寫操作。

2.可用性（Availability）：

• 可用性指的是系統中每個節點對讀和寫請求的響應能力，即使一些節點經歷故障或延遲。可用性系統確保請求得到響應，但不保證它包含最新的寫入。

3.分割槽容忍性（Partition Tolerance）：

• 分割槽容忍性涉及系統在發生網路分割槽（通訊失敗）時繼續執行和提供服務的能力。它意味著系統可以容忍訊息的丟失或節點間通訊的延遲。

根據CAP定理，一個分散式系統最多隻能同時實現三個屬性中的兩個。以下是三種可能的情景：

CA（一致性和可用性）：

• 在優先考慮一致性和可用性的系統中，儘量避免分割槽。這種設計選擇為強一致性和高可用性而犧牲了分割槽容忍性。傳統的關係型資料庫通常屬於這一類別。

CP（一致性和分割槽容忍性）：

• 優先考慮一致性和分割槽容忍性的系統在網路分割槽時犧牲了可用性。它們確保資料在所有節點之間保持一致，即使在網路分割槽期間一些節點暫時不可用。

AP（可用性和分割槽容忍性）：

• 優先考慮可用性和分割槽容忍性的系統致力於在存在網路分割槽的情況下對讀和寫請求進行響應。然而，這可能導致最終一致性，即所有節點最終將趨於相同的狀態，但不一定是立即的。

需要注意的是，CAP定理是一個理論概念，實際系統往往涉及基於特定用例和需求的微妙權衡。不同的分散式資料庫和系統根據其預期目標和處理資料的性質採用不同的策略。

為什麼CAP不能同時實現？

CAP 定理之所以指出在分散式系統中最多隻能同時實現三個屬性中的兩個，是基於分散式環境下的現實限制和權衡考慮。下面解釋為什麼不能同時實現三個屬性：

1.網路分割槽的存在（Partition Tolerance）：

• 在分散式系統中，節點之間的網路通訊可能會發生故障，導致節點之間無法直接通訊，形成網路分割槽。由於網路的不確定性，我們無法保證在任何時刻所有節點都能相互通訊。

2.犧牲之一：

• 當存在網路分割槽時，CAP 定理要求在保證一致性和可用性中選擇一項進行犧牲。如果系統選擇保證一致性，那麼在網路分割槽期間可能會犧牲可用性；反之亦然。這是因為在無法進行節點間通訊時，要麼選擇等待所有節點就緒以保證一致性，要麼允許某些節點響應請求以保證可用性。

3.不同的應用需求：

• 不同的應用對一致性、可用性和分割槽容忍性的需求各不相同。某些應用可能更注重資料的一致性，而另一些應用可能更注重可用性。因此，CAP 定理提供了在設計分散式系統時需要權衡的指導原則，以根據具體需求選擇適當的系統特性。

4.權衡的必然性：

• CAP 定理強調了在分散式系統中的權衡，因為在網路分割槽的情況下，同時實現強一致性和完全可用性是困難的。權衡的必然性是基於實際系統設計中的複雜性和挑戰，而不是純粹的理論斷言。

總體而言，CAP 定理提供了在設計分散式系統時需要權衡的現實指導，並使系統設計者能夠根據特定的應用需求作出明智的決策。在實際應用中，選擇合適的權衡方案將取決於具體的業務場景和系統設計目標。