该原理被认为是分布式系统领域的重要原理之一,深刻影响了分布式计算与系统设计的发展。
CAP 原理:分布式系统无法同时确保一致性(Consistency)、可用性(Availability)和分区容忍性(Partition),设计中往往需要弱化对某个特性的需求。
一致性、可用性和分区容忍性的具体含义如下:
- 可用性(Availability):系统(非失败节点)能在有限时间内完成对操作请求的应答;
- 分区容忍性(Partition):系统中的网络可能发生分区故障(成为多个子网,甚至出现节点上线和下线),即节点之间的通信无法保障。而网络故障不应该影响到系统正常服务。
CAP 原理认为,分布式系统最多只能保证三项特性中的两项特性。
由于大部分时候网络被认为是可靠的,因此系统可以提供一致可靠的服务;当网络不可靠时,系统要么牺牲掉一致性(多数场景下),要么牺牲掉可用性。
注意:网络分区是可能存在的,出现分区情况后很可能会导致发生“脑裂”现象。
应用场景
既然 CAP 三种特性不可同时得到保障,则设计系统时候必然要弱化对某个特性的支持。
弱化一致性
对结果一致性不敏感的应用,可以允许在新版本上线后过一段时间才最终更新成功,期间不保证一致性。
弱化可用性
对结果一致性很敏感的应用,例如银行取款机,当系统故障时候会拒绝服务。MongoDB、Redis、MapReduce 等为此设计。
Paxos、Raft 等共识算法,主要处理这种情况。在 Paxos 类算法中,可能存在着无法提供可用结果的情形,同时允许少数节点离线。
弱化分区容忍性
现实中,网络分区出现概率较小,但很难完全避免。
两阶段的提交算法,某些关系型数据库以及 ZooKeeper 主要考虑了这种设计。