02.分布式一致性理论——CAP和BASE理论
分布式的问题
分布式因为网络的不确定性，节点故障等情况，会带来各种复杂的问题。我们在学习分布式的相关理论时，一定要明确这样一个道理，就是：网络不可靠，网络分区以及节点宕机是常态，另外网络带宽资源是及其珍贵的，我们必须在网络不可靠、分区以及节点宕机的前提下，构建高性能、高可用的分布式系统。
分布式环境的问题
- 通信异常：从集中式向分布式演变过程中，必然会引入网络因素，而由于网络本身的不可靠性，因此也引入了额外的问题。分布式系统需要在各个节点之间进行网络通信，因此当网络通信设备故障就会导致无法顺利完成一次网络通信，就算各节点的网络通信正常，但是消息丢失和消息延时也是非常普遍的事情。
- 网络分区（脑裂）：网络发生异常情况导致分布式系统中部分节点之间的网络延时不断增大，最终导致组成分布式系统的所有节点，只有部分节点能够正常通行，而另一些节点则不能。我们称这种情况叫做网络分区（脑裂），当网络分区出现时，分布式系统会出现多个局部小集群（多个小集群可能又会产生多个master节点），所以分布式系统要求这些小集群要能独立完成原本需要整个分布式系统才能完成的功能，这就对分布式一致性提出了非常大的挑战。
- 节点故障：节点宕机是分布式环境中的常态，每个节点都有可能会出现宕机或僵死的情况，并且每天都在发生。
- 三态：由于网络不可靠的原因，因此分布式系统的每一次请求，都存在特有的“三态”概念，即：成功，失败与超时。在集中式单机部署中，由于没有网络因素，所以程序的每一次调用都能得到“成功”或者“失败”的响应，但是在分布式系统中，网络不可靠，可能就会出现超时的情况。可能在消息发送时丢失或者在响应过程中丢失，当出现超时情况时，网络通信的发起方是无法确定当前请求是否被成功处理的，所以这也是分布式事务的难点。
分布式数据一致性问题
在分布式系统中，节点宕机是常态，为了高可用性，我们一般会部署多台服务器，势必就会存在数据的复制问题，分布式系统对于数据的复制需求一般来自于以下两个原因：
- 高可用：将数据复制到分布式部署的多台机器中，可以消除单点故障，防止系统由于某台（些）机器宕机导致的不可用。
- 性能：通过负载均衡技术，能够让分布在不同地方的数据副本全都对外提供服务。有效提高系统性能。
在分布式系统引入复制机制后，不同的数据节点之间由于网络延时等原因很容易产生数据不一致的情况。复制机制的目的是为了保证数据的一致性。但是数据复制面临的主要难题也是如何保证多个副本之间的数据一致性。其中，常见的就是主从数据库之间的复制延时问题。
Zookeeper就是分布式一致性问题的工业解决方案，paxos是理论算法，其中zab，raft和众多开源算法是对paxos的工业级实现。Zookeeper使用zab来保证其自身系统的高可用与数据一致性的。
CAP理论
CAP原则又称CAP定理，指的是在一个分布式系统中， Consistency（一致性）、Availability（可用性）、Partition tolerance（分区容错性），三者不可得兼。
一致性（C）：在分布式系统中的所有数据备份，在同一时刻是否同样的值。（等同于所有节点访问同一份最新的数据副本）
可用性（A）：保证每个请求不管成功或者失败都有响应。
分区容忍性（P）：系统中任意信息的丢失或失败不会影响系统的继续运作。
CAP原则的精髓就是要么AP，要么CP，要么AC，但是不存在CAP。如果在某个分布式系统中数据无副本， 那么系统必然满足强一致性条件， 因为只有独一数据，不会出现数据不一致的情况，此时C和P两要素具备，但是如果系统发生了网络分区状况或者宕机，必然导致某些数据不可以访问，此时可用性条件就不能被满足，即在此情况下获得了CP系统，但是CAP不可同时满足
一致性与可用性的决择编辑
CAP理论就是说在分布式存储系统中，最多只能实现上面的两点。而由于当前的网络硬件肯定会出现延迟丢包等问题，所以分区容忍性是我们必须需要实现的。所以我们只能在一致性和可用性之间进行权衡，没有NoSQL系统能同时保证这三点。
CAP三个特性只能满足其中两个，那么取舍的策略就共有三种：
CA without P：如果不要求P（不允许分区），则C（强一致性）和A（可用性）是可以保证的。但放弃P的同时也就意味着放弃了系统的扩展性，也就是分布式节点受限，没办法部署子节点，这是违背分布式系统设计的初衷的。传统的关系型数据库RDBMS：Oracle、MySQL就是CA。
CP without A ：如果不要求A（可用），相当于每个请求都需要在服务器之间保持强一致，而P（分区）会导致同步时间无限延长(也就是等待数据同步完才能正常访问服务)，一旦发生网络故障或者消息丢失等情况，就要牺牲用户的体验，等待所有数据全部一致了之后再让用户访问系统。设计成CP的系统其实不少，最典型的就是分布式数据库，如Redis、HBase等。对于这些分布式数据库来说，数据的一致性是最基本的要求，因为如果连这个标准都达不到，那么直接采用关系型数据库就好，没必要再浪费资源来部署分布式数据库。
AP wihtout C：要高可用并允许分区，则需放弃一致性。一旦分区发生，节点之间可能会失去联系，为了高可用，每个节点只能用本地数据提供服务，而这样会导致全局数据的不一致性。典型的应用就如某米的抢购手机场景，可能前几秒你浏览商品的时候页面提示是有库存的，当你选择完商品准备下单的时候，系统提示你下单失败，商品已售完。这其实就是先在 A（可用性）方面保证系统可以正常的服务，然后在数据的一致性方面做了些牺牲，虽然多少会影响一些用户体验，但也不至于造成用户购物流程的严重阻塞。
BASE理论
BASE是Basically Available（基本可用）、Soft state（软状态）和Eventually consistent（最终一致性）三个短语的简写，BASE是对CAP中一致性和可用性权衡的结果，其来源于对大规模互联网系统分布式实践的结论，是基于CAP定理逐步演化而来的，其核心思想是即使无法做到强一致性（Strong consistency），但每个应用都可以根据自身的业务特点，采用适当的方式来使系统达到最终一致性（Eventual consistency）
基本可用
基本可用是指分布式系统在出现不可预知故障的时候，允许损失部分可用性——但请注意，这绝不等价于系统不可用，以下两个就是“基本可用”的典型例子。
- 响应时间上的损失：正常情况下，一个在线搜索引擎需要0.5秒内返回给用户相应的查询结果，但由于出现异常（比如系统部分机房发生断电或断网故障），查询结果的响应时间增加到了1~2秒。
- 功能上的损失：正常情况下，在一个电子商务网站上进行购物，消费者几乎能够顺利地完成每一笔订单，但是在一些节日大促购物高峰的时候，由于消费者的购物行为激增，为了保护购物系统的稳定性，部分消费者可能会被引导到一个降级页面。
弱状态也称为软状态，和硬状态相对，是指允许系统中的数据存在中间状态，并认为该中间状态的存在不会影响系统的整体可用性，即允许系统在不同节点的数据副本之间进行数据听不的过程存在延时。
最终一致性
最终一致性强调的是系统中所有的数据副本，在经过一段时间的同步后，最终能够达到一个一致的状态。因此，最终一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致，而不需要实时保证系统数据的强一致性
