文章目錄

• 一、分布式系統(tǒng)的基本概念
• • 1、分布式存儲(chǔ)
  • 2、分布式系統(tǒng)需要解決的問題
• 二、分布式系統(tǒng)的CAP理論
• • 1、CAP理論
  • • （1）Consistency 一致性
    • （2）Availability 可用性
    • （3）Partition Tolerance分區(qū)容錯(cuò)性
  • 2、CAP的證明
  • 3、CAP的權(quán)衡
  • • （1）CA without P
    • （2）CP without A
    • （3）AP wihtout C

一、分布式系統(tǒng)的基本概念

??分布式系統(tǒng)即把數(shù)據(jù)放在多個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)（稱為結(jié)點(diǎn)）上，各個(gè)結(jié)點(diǎn)利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞，合作完成共同的任務(wù)。分布式系統(tǒng)是建立在網(wǎng)絡(luò)之上的軟件系統(tǒng)，在多臺(tái)不同的服務(wù)器中部署不同的服務(wù)模塊，通過遠(yuǎn)程調(diào)用協(xié)同工作，對(duì)外提供服務(wù)。【集群（cluster）是指在多臺(tái)不同的服務(wù)器中部署相同應(yīng)用或服務(wù)模塊，構(gòu)成一個(gè)集群，通過負(fù)載均衡設(shè)備對(duì)外提供服務(wù)。】

1、分布式存儲(chǔ)

即通過大量的PC連入互聯(lián)網(wǎng)，統(tǒng)一對(duì)外提供存儲(chǔ)服務(wù)。分為以下幾部分：

（1）分布式文件系統(tǒng)：以文件的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)外提供文件的操作。

（2）分布式鍵值系統(tǒng)：以kv存儲(chǔ)，對(duì)外提供GUID操作。

（3）分布式表格系統(tǒng)：用大表格的方式存儲(chǔ)，對(duì)外提供表格的增刪操作。

（4）分布式數(shù)據(jù)庫：以數(shù)據(jù)庫表的形式存儲(chǔ)，對(duì)外提供SQL的相關(guān)語句操作。

2、分布式系統(tǒng)需要解決的問題

（1）數(shù)據(jù)的分布、負(fù)載均衡問題。

（2）主從備份，數(shù)據(jù)一致性問題。

（3）容錯(cuò)，故障恢復(fù)問題。

（4）讀寫流程問題。

二、分布式系統(tǒng)的CAP理論

1、CAP理論

??CAP理論：一個(gè)分布式系統(tǒng)最多只能同時(shí)滿足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區(qū)容錯(cuò)性（Partition tolerance）這三項(xiàng)中的兩項(xiàng)。

（1）Consistency 一致性

??更新操作成功并返回客戶端后，所有節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間的數(shù)據(jù)完全一致（返回給客戶端的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)是最新的），即數(shù)據(jù)一致性，一致性是因?yàn)橛胁l(fā)讀寫才有的問題。

• 對(duì)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，要求更新過的數(shù)據(jù)能被后續(xù)的訪問都能看到，這是強(qiáng)一致性。

• 如果能容忍后續(xù)的部分或者全部訪問不到，則是弱一致性。

• 如果經(jīng)過一段時(shí)間后要求能訪問到更新后的數(shù)據(jù)，則是最終一致性。

??CAP中說，不可能同時(shí)滿足的這個(gè)一致性指的是強(qiáng)一致性。

（2）Availability 可用性

??可用性即服務(wù)一直可用，而且是正常響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于一個(gè)可用性的分布式系統(tǒng)，每一個(gè)非故障的節(jié)點(diǎn)必須對(duì)每一個(gè)請(qǐng)求作出響應(yīng)。所以，一般我們?cè)诤饬恳粋€(gè)系統(tǒng)的可用性的時(shí)候，都是通過停機(jī)時(shí)間來計(jì)算的。

??通常我們描述一個(gè)系統(tǒng)的可用性時(shí)，我們說淘寶的系統(tǒng)可用性可以達(dá)到5個(gè)9，意思就是說他的可用水平是99.999%，即全年停機(jī)時(shí)間不超過 (1-0.99999)36524*60 = 5.256 min，這是一個(gè)極高的要求。

（3）Partition Tolerance分區(qū)容錯(cuò)性

??分區(qū)容錯(cuò)性即分布式系統(tǒng)在遇到某節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)分區(qū)故障的時(shí)候，仍然能夠?qū)ν馓峁M足一致性和可用性的服務(wù)。

??分區(qū)容錯(cuò)性和擴(kuò)展性緊密相關(guān)。在分布式應(yīng)用中，可能因?yàn)橐恍┓植际降脑驅(qū)е孪到y(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。好的分區(qū)容錯(cuò)性要求能夠使應(yīng)用雖然是一個(gè)分布式系統(tǒng)，而看上去卻好像是在一個(gè)可以運(yùn)轉(zhuǎn)正常的整體。比如現(xiàn)在的分布式系統(tǒng)中有某一個(gè)或者幾個(gè)機(jī)器宕掉了，其他剩下的機(jī)器還能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)滿足系統(tǒng)需求，或者是機(jī)器之間有網(wǎng)絡(luò)異常，將分布式系統(tǒng)分隔未獨(dú)立的幾個(gè)部分，各個(gè)部分還能維持分布式系統(tǒng)的運(yùn)作，這樣就具有好的分區(qū)容錯(cuò)性。

2、CAP的證明

??作為一個(gè)分布式系統(tǒng)，它和單機(jī)系統(tǒng)的最大區(qū)別，就在于網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在假設(shè)一種極端情況，N1和N2之間的網(wǎng)絡(luò)斷開了，我們要支持這種網(wǎng)絡(luò)異常，相當(dāng)于要滿足分區(qū)容錯(cuò)性，能不能同時(shí)滿足一致性和響應(yīng)性呢？還是說要對(duì)他們進(jìn)行取舍。

??假設(shè)在N1和N2之間網(wǎng)絡(luò)斷開的時(shí)候，有用戶向N1發(fā)送數(shù)據(jù)更新請(qǐng)求，那N1中的數(shù)據(jù)V0將被更新為V1，由于網(wǎng)絡(luò)是斷開的，所以分布式系統(tǒng)同步操作M，所以N2中的數(shù)據(jù)依舊是V0；這個(gè)時(shí)候，有用戶向N2發(fā)送數(shù)據(jù)讀取請(qǐng)求，由于數(shù)據(jù)還沒有進(jìn)行同步，應(yīng)用程序沒辦法立即給用戶返回最新的數(shù)據(jù)V1，怎么辦呢？有二種選擇：

• 第一，犧牲數(shù)據(jù)一致性，保證可用性。響應(yīng)舊的數(shù)據(jù)V0給用戶（并不是錯(cuò)亂的數(shù)據(jù)，而是舊數(shù)據(jù)，只不過不是最新的）；

• 第二，犧牲可用性，保證數(shù)據(jù)一致性。阻塞等待，直到網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)，數(shù)據(jù)更新操作M完成之后，再給用戶響應(yīng)最新的數(shù)據(jù)V1。

??這個(gè)過程，證明了要滿足分區(qū)容錯(cuò)性的分布式系統(tǒng)，只能在一致性和可用性兩者中，選擇其中一個(gè)。

3、CAP的權(quán)衡

（1）CA without P

??這種情況在分布式系統(tǒng)中幾乎是不存在的。首先在分布式環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)分區(qū)是一個(gè)自然的事實(shí)。因?yàn)榉謪^(qū)是必然的，所以如果舍棄P，意味著要舍棄分布式系統(tǒng)。那也就沒有必要再討論CAP理論了。這也是為什么在前面的CAP證明中，我們以系統(tǒng)滿足P為前提論述了無法同時(shí)滿足C和A。

??比如我們熟知的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，如MySql和Oracle就是保證了可用性和數(shù)據(jù)一致性，但是他并不是個(gè)分布式系統(tǒng)。

（2）CP without A

??一個(gè)保證了CP而一個(gè)舍棄了A的分布式系統(tǒng)，一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障或者消息丟失等情況，就要犧牲用戶的體驗(yàn)，等待所有數(shù)據(jù)全部一致了之后再讓用戶訪問系統(tǒng)。

??設(shè)計(jì)成CP的系統(tǒng)其實(shí)也不少，其中最典型的就是很多分布式數(shù)據(jù)庫，他們都是設(shè)計(jì)成CP的。在發(fā)生極端情況時(shí)，優(yōu)先保證數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性，代價(jià)就是舍棄系統(tǒng)的可用性。如Redis、HBase等，還有分布式系統(tǒng)中常用的Zookeeper也是在CAP三者之中選擇優(yōu)先保證CP的。

（3）AP wihtout C

??要高可用并允許分區(qū)，則需放棄一致性。一旦網(wǎng)絡(luò)問題發(fā)生，節(jié)點(diǎn)之間可能會(huì)失去聯(lián)系。為了保證高可用，需要在用戶訪問時(shí)可以馬上得到返回，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能用本地?cái)?shù)據(jù)提供服務(wù)，而這樣會(huì)導(dǎo)致全局?jǐn)?shù)據(jù)的不一致性。

??這種舍棄強(qiáng)一致性而保證系統(tǒng)的分區(qū)容錯(cuò)性和可用性的場(chǎng)景和案例非常多。前面我們介紹可用性的時(shí)候說到過，很多系統(tǒng)在可用性方面會(huì)做很多事情來保證系統(tǒng)的全年可用性可以達(dá)到N個(gè)9，所以，對(duì)于很多業(yè)務(wù)系統(tǒng)來說，比如淘寶的購物，12306的買票。都是在可用性和一致性之間舍棄了一致性而選擇可用性。

??但是，我們說很多網(wǎng)站犧牲了一致性，選擇了可用性，這其實(shí)也不準(zhǔn)確的。就比如12306買票的例子，其實(shí)舍棄的只是強(qiáng)一致性，退而求其次保證了最終一致性。也就是說，雖然下單的瞬間，關(guān)于車票的庫存可能存在數(shù)據(jù)不一致的情況，但是過了一段時(shí)間，還是要保證最終一致性的。

參考：https://www.hollischuang.com/archives/666
https://blog.csdn.net/wuxians/article/details/81275441
https://zhuanlan.zhihu.com/p/32052223

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的分布式系统的概念的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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