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CAP 定理是分布式系統(tǒng)理論的基礎，它的核心內容是說，在存在分區(qū)（如網(wǎng)絡故障）的情況下，一個系統(tǒng)無法同時保證一致性（consistency）和可用性（availability），只能二選其一。

有些數(shù)據(jù)庫選擇了一致性，那么這類系統(tǒng)就被稱為 CP 系統(tǒng)。而有些系統(tǒng)更看重可用性，也就是 AP 系統(tǒng)。一致性和可用性對于任何一個業(yè)務系統(tǒng)來說都是至關重要的，如何在這兩者之間做出選擇也就變成一個大難題。

這篇文章將說明如何在保證系統(tǒng)一致性的同時仍然能夠保證高可用性，并以 CockroachDB 為例來解釋 CAP 定理，以及為什么對于大多數(shù)數(shù)據(jù)庫來說一致性更重要。

高可用性

在 CAP 定理里，可用性具有嚴格的二元性：一個系統(tǒng)要么可用，要么不可用。但在服務級別協(xié)議（SLA）里，可用性具有連續(xù)性。

例如，一個系統(tǒng)可以保證99.99%的可用性（4個9，也就是說每年允許宕機的時間不超過一個小時）。100%的可用性是不現(xiàn)實的。工程上的高可用性要求對各種中斷的嚴重程度進行評估，并在降低故障率所要花費的成本上做出平衡。

一個具有一致性保證的系統(tǒng)有時候因為網(wǎng)絡分區(qū)出現(xiàn)不可用，但即使是具有可用性保證的系統(tǒng)，也會因為各種原因出現(xiàn)不可用。在一個良好的網(wǎng)絡環(huán)境里，因網(wǎng)絡分區(qū)造成的故障不會比其他類型的故障更常見。既然故障是不可避免的，進而導致不可用，那為什么不先保證一致性呢？

Brewer 博士說 Google 的網(wǎng)絡很少會出現(xiàn)分區(qū)，Spanner 數(shù)據(jù)庫理論上是“CP”，但實際上幾乎是“CA”的。這聽起來有點跑題了，不過卻也說明了在可用性方面做出一些權衡，其影響面不會太大。

合理的權衡

在分布式系統(tǒng)里，權衡無處不在，我們總是要在一致性、可用性、性能和靈活性之間做出權衡。而 CAP 定理將選擇的范圍縮小到一致性和可用性之間，但無法涵蓋所有可能造成不可用的問題根源。

有各種原因可能造成系統(tǒng)中斷，比如硬件單點故障、應用程序的缺陷或運維人員的人為錯誤。而從整個系統(tǒng)層面來看，如果能夠處理好網(wǎng)絡分區(qū)問題，那么就有可能在不犧牲一致性的前提下提升可用性。CAP 的可用性不一定會帶來實質性的可用性保證，但如果犧牲了一致性，將會給應用程序的代碼帶來復雜性，也意味著更高的工程成本。

假設有一個應用程序，它部署在3個數(shù)據(jù)中心里，客戶端的流量經(jīng)過負載均衡器連接到應用程序上。如果其中的一個數(shù)據(jù)中心因網(wǎng)絡故障掉線，那么連接到這個數(shù)據(jù)中心的客戶端將會遭遇中斷，而不管底層的數(shù)據(jù)庫是 CP 還是 CA 的。而如果負載均衡器將這些中斷的客戶端流量重定向到活躍的數(shù)據(jù)中心，不管底層的數(shù)據(jù)庫如何處理網(wǎng)絡分區(qū)問題，服務仍然可用。

只有當數(shù)據(jù)中心復本之間無法通信而客戶端仍然能夠與各個數(shù)據(jù)中心對話時，AP 系統(tǒng)仍然可用，而 CP 系統(tǒng)不可用。如果把整個系統(tǒng)作為整體部署來考慮，可以不用遵循 CAP 定理所要求的需要每個節(jié)點都要返回響應的原則，從而達到高可用性。

如果 AP 系統(tǒng)所能帶來的可用性價值不高，那么為什么要為此犧牲一致性呢？理由只有一個，因為寫入延遲。一致性系統(tǒng)在執(zhí)行寫入操作的時候需要協(xié)調各個節(jié)點來保證一致性（當然，有些系統(tǒng)對一致性讀也有很高要求）。非一致性系統(tǒng)允許丟失數(shù)據(jù)，所以可以很快返回響應。對于速度比健壯性更重要的系統(tǒng)來說，或許這會是更好的選擇。

CockroachDB 的 CAP

CockroachDB是 CP 系統(tǒng)：每一份數(shù)據(jù)至少有3個復本，在寫入數(shù)據(jù)時要求每個復本之間進行通信。在數(shù)據(jù)讀取方面，其中的一個復本被授予一段時間的租期或一個數(shù)據(jù)子集的臨時所有權，這個復本可以在不與其他復本通信的情況下處理讀取請求。如果這個復本與其他復本失去聯(lián)系，在租期內（默認是9秒鐘）它仍然能夠提供讀取數(shù)據(jù)服務（但不能寫入）。在租約到期之后，另外兩個復本中的一個會得到新的租約。這樣可以確保系統(tǒng)能夠快速地從中斷中恢復，提供最高的可用性，盡管它不符合 CAP 定理對可用性的定義。

CockroachDB的強一致性基因讓它有可能為分布式數(shù)據(jù)庫提供與傳統(tǒng)的非分布式數(shù)據(jù)庫一樣的一致性保證，同時保持高可用。對于大多數(shù)應用程序來說，CP 數(shù)據(jù)庫會是更好的選擇，盡管存在潛在的延遲，但它也為開發(fā)者提供了一些保證。