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learn.lianglianglee.com/专栏/300分钟吃透分布式缓存-完/30 面对海量数据，为什么无法设计出完美的分布式缓存体系？.md.html
周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>30 面对海量数据，为什么无法设计出完美的分布式缓存体系？</h1>
<p>随着互联网的发展，分布式系统变得越来越重要，当前的大中型互联网系统几乎都向着分布式方向发展。分布式系统简单说就是一个软硬件分布在不同机房、不同区域的网络计算机上，彼此之间仅仅通过消息传递进行通信及协调的系统。分布式系统需要利用分布的服务，在确保数据一致的基础上，对外提供稳定的服务。</p>
<h2>CAP 定理的诞生</h2>
<p>在分布式系统的发展中，影响最大最广泛的莫过于 CAP 理论了，可以说 CAP 理论是分布式系统发展的理论基石。早在 1998 年，加州大学的计算机科学家 Eric Brewer ，就提出分布式系统的三个指标。在此基础上，2 年后，Eric Brewer 进一步提出了 CAP 猜想。又过了 2 年，到了 2002 年，麻省理工学院的 Seth Gilbert 和 Nancy Lynch 从理论上证明了 CAP 猜想。CAP 猜想成为了 CAP 定理，也称为布鲁尔定理。从此，CAP 定理成为分布式系统发展的理论基石，广泛而深远的影响着分布式系统的发展。</p>
<h2>CAP 定理指标</h2>
<p><img src="assets/CgpOIF3vcYSAMqOZAABvnmKZkwc008.png" alt="img" /></p>
<p>CAP 定理，简单的说就是分布式系统不可能同时满足 Consistency 一致性、Availability 可用性、Partition Tolerance 分区容错性三个要素。因为 Consistency、Availability 、Partition Tolerance 这三个单词的首字母分别是 C、A、P，所以这个结论被称为 CAP 定理。</p>
<h3>Consistency 一致性</h3>
<p><img src="assets/Cgq2xl3vcYSAdBslAABylkevii4101.png" alt="img" /></p>
<p>CAP 定理的第一个要素是 Consistency 一致性。一致性的英文含义是指“all nodes see the same data at the same time”。即所有节点在任意时间，被访问返回的数据完全一致。CAP 作者 Brewer 的另外一种解释是在写操作之后的读指令，必须得到的是写操作写入的值，或者写操作之后新更新的值。从服务端的视角来看，就是在 Client 写入一个更新后，Server 端如何同步这个新值到整个系统，从而保证整个系统的这个数据都相同。而从客户端的视角来看，则是并发访问时，在变更数据后，如何获取到最新值。</p>
<h3>Availability 可用性</h3>
<p><img src="assets/CgpOIF3vcYWAT94EAABuz7E4yN8709.png" alt="img" /></p>
<p>CAP 定理的第二个要素是 Availability 可用性。可用性的英文含义是指“Reads and writes always succeed”。即服务集群总能够对用户的请求给予响应。Brewer 的另外一个种解释是对于一个没有宕机或异常的节点，总能响应用户的请求。也就是说当用户访问一个正常工作的节点时，系统保证该节点必须给用户一个响应，可以是正确的响应，也可以是一个老的甚至错误的响应，但是不能没有响应。从服务端的视角来看，就是服务节点总能响应用户请求，不会吞噬、阻塞请求。而从客户端视角来看，发出的请求总有响应，不会出现整个服务集群无法连接、超时、无响应的情况。</p>
<h3>Partition Tolerance 分区容错性</h3>
<p><img src="assets/Cgq2xl3vcYWAUbX2AAB7bsXILGM706.png" alt="img" /></p>
<p>第三个要素是 Partition Tolerance 分区容错性。分区容错的英文含义是指“The system continues to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the system”。即出现分区故障或分区间通信异常时，系统仍然要对外提供服务。在分布式环境，每个服务节点都不是可靠的，不同服务节点之间的通信有可能出现问题。当某些节点出现异常，或者某些节点与其他节点之间的通信出现异常时，整个系统就产生了分区问题。从服务端的视角来看，出现节点故障、网络异常时，服务集群仍然能对外提供稳定服务，就是具有较好的分区容错性。从客户端视角来看，就是服务端的各种故障对自己透明。</p>
<h2>正常服务场景</h2>
<p><img src="assets/CgpOIF3vcYWAHWxUAABP-muON70725.png" alt="img" /></p>
<p>根据CAP定理，在分布式系统中这三个要素不可能三者兼顾，最多只能同时满足两点。接下来，我们用 最简单的2 个服务节点场景，简要证明一下 CAP 定理。</p>
<p>如图所示，网络上有 2 个服务节点 Node1 和 Node2，它们之间通过网络连通组成一个分布式系统。在正常工作的业务场景，Node1 和 Node2 始终正常运行，且网络一直良好连通。</p>
<p>假设某初始时刻，两个节点中的数据相同，都是 V0，用户访问 Nodel 和 Node2 都会立即得到 V0 的响应。当用户向 Node1 更新数据，将 V0 修改为 V1时，分布式系统会构建一个数据同步操作 M，将 V1 同步给 Node2，由于 Node1 和 Node2 都正常工作，且相互之间通信良好，Node2 中的 V0 也会被修改为 V1。此时，用户分别请求 Node1 和 Node2，得到的都是 V1，数据保持一致性，且总可以都得到响应。</p>
<h2>网络异常场景</h2>
<p><img src="assets/Cgq2xl3vcYWAHtgcAABMlxt6rrs881.png" alt="img" /></p>
<p>作为一个分布式系统，总是有多个分布的、需要网络连接的节点，节点越多、网络连接越复杂，节点故障、网络异常的情况出现的概率就会越大。要完全满足 CAP 三个元素。就意味着，如果节点之间出现了网络异常时，需要支持网络异常，即支持分区容错性，同时分布式系统还需要满足一致性和可用性。我们接下来看是否可行。</p>
<p>现在继续假设，初始时刻，Node1 和 Node2 的数据都是 V0，然后此时 Node1 和 Node2 之间的网络断开。用户向 Node1 发起变更请求，将 V0 变更为 V1，分布式系统准备发起同步操作 M，但由于 Node1 和 Node2 之间网络断开，同步操作 M 无法及时同步到 Node2，所以 Node2 中的数据仍然是 V0。</p>
<p>此时，有用户向 Node2 发起请求，由于 Node2 与 Node1 断开连接，数据没有同步，Node2 无法立即向用户返回正确的结果 V1。那怎么办呢？有两种方案。</p>
<ul>
<li>第一种方案，是牺牲一致性，Node2 向请求用户返回老数据 V0 的响应。</li>
<li>第二种方案，是牺牲可用性，Node2 持续阻塞请求，直到 Node1 和 Node2 之间的网络连接恢复，并且数据更新操作 M 在 Node2 上执行完毕，Node2 再给用户返回正确的 V1 操作。</li>
</ul>
<p>至此，简要证明过程完毕。整个分析过程也就说明了，分布式系统满足分区容错性时，就无法同时满足一致性和可用性，只能二选一，也就进一步证明了分布式系统无法同时满足一致性、可用性、分区容错性这三个要素。</p>
<h2>CAP 权衡</h2>
<h3>CA</h3>
<p><img src="assets/CgpOIF3vcYaAHQy2AACx74l7-J4773.png" alt="img" /></p>
<p>根据 CAP 理论和前面的分析，我们知道分布式系统无法同时满足一致性、可用性、分区容错性三个要素，那我们在构建分布式系统时，应该如何选择呢？</p>
<p>由于这三个要素对分布式系统都非常重要，既然三个不能同时满足，那就先尽量满足两个，只舍弃其中的一个元素。</p>
<p>第一种方案选择是 CA，即不支持分区容错，只支持一致性和可用性。不支持分区容错性，也就意味着不允许分区异常，设备、网络永远处于理想的可用状态，从而让整个分布式系统满足一致性和可用性。</p>
<p>但由于分布式系统是由众多节点通过网络通信连接构建的，设备故障、网络异常是客观存在的，而且分布的节点越多，范围越广，出现故障和异常的概率也越大，因此，对于分布式系统而言，分区容错 P 是无法避免的，如果避免了 P，只能把分布式系统回退到单机单实例系统。</p>
<h3>CP</h3>
<p><img src="assets/Cgq2xl3vcYaAKw0SAACyCQZZxQo593.png" alt="img" /></p>
<p>第二种方案选择是 CP，因为分区容错 P 客观存在，即相当于放弃系统的可用性，换取一致性。那么系统在遇到分区异常时，会持续阻塞整个服务，直到分区问题解决，才恢复对外服务，这样可以保证数据的一致性。选择 CP 的业务场景比较多，特别是对数据一致性特别敏感的业务最为普遍。比如在支付交易领域，Hbase 等分布式数据库领域，都要优先保证数据的一致性，在出现网络异常时，系统就会暂停服务处理。分布式系统中，用来分发及订阅元数据的 Zookeeper，也是选择优先保证 CP 的。因为数据的一致性是这些系统的基本要求，否则，银行系统0 余额大量取现，数据库系统访问，随机返回新老数据都会引发一系列的严重问题。</p>
<h3>AP</h3>
<p><img src="assets/CgpOIF3vcYaAcHh1AACFKbW4siA522.png" alt="img" /></p>
<p>第三种方案选择是 AP，由于分区容错 P 客观存在，即相当于放弃系统数据的一致性，换取可用性。这样，在系统遇到分区异常时，节点之间无法通信，数据处于不一致的状态，为了保证可用性，服务节点在收到用户请求后立即响应，那只能返回各自新老不同的数据。这种舍弃一致性，而保证系统在分区异常下的可用性，在互联网系统中非常常见。比如微博多地部署，如果不同区域的网络中断，区域内的用户仍然发微博、相互评论和点赞，但暂时无法看到其他区域用户发布的新微博和互动状态。对于微信朋友圈也是类似。还有如 12306 的火车购票系统，在节假日高峰期抢票时，偶尔也会遇到，反复看到某车次有余票，但每次真正点击购买时，却提示说没有余票。这样，虽然很小一部分功能受限，但系统整体服务稳定，影响非常有限，相比 CP，用户体验会更佳。</p>
<h2>CAP 问题及误区</h2>
<p><img src="assets/Cgq2xl3vcYaAZGNJAAC1X1BrlZA576.png" alt="img" /></p>
<p>CAP 理论极大的促进了分布式系统的发展，但随着分布式系统的演进，大家发现，其实 CAP 经典理论其实过于理想化，存在不少问题和误区。</p>
<p>首先，以互联网场景为例，大中型互联网系统，主机数量众多，而且多区域部署，每个区域有多个 IDC。节点故障、网络异常，出现分区问题很常见，要保证用户体验，理论上必须保证服务的可用性，选择 AP，暂时牺牲数据的一致性，这是最佳的选择。</p>
<p>但是，当分区异常发生时，如果系统设计的不够良好，并不能简单的选择可用性或者一致性。例如，当分区发生时，如果一个区域的系统必须要访问另外一个区域的依赖子服务，才可以正常提供服务，而此时网络异常，无法访问异地的依赖子服务，这样就会导致服务的不可用，无法支持可用性。同时，对于数据的一致性，由于网络异常，无法保证数据的一致性，各区域数据暂时处于不一致的状态。在网络恢复后，由于待同步的数据众多且复杂，很容易出现不一致的问题，同时某些业务操作可能跟执行顺序有关，即便全部数据在不同区域间完成同步，但由于执行顺序不同，导致最后结果也会不一致。长期多次分区异常后，会累积导致大量的数据不一致，从而持续影响用户体验。</p>
<p>其次，在分布式系统中，分区问题肯定会发生，但却很少发生，或者说相对于稳定工作的时间，会很短且很小概率。当不存在分区时，不应该只选择 C 或者 A，而是可以同时提供一致性和可用性。</p>
<p>再次，同一个系统内，不同业务，同一个业务处理的不同阶段，在分区发生时，选择一致性和可用性的策略可能都不同。比如前面讲的 12306 购票系统，车次查询功能会选择 AP，购票功能在查询阶段也选择 AP，但购票功能在支付阶段，则会选择 CP。因此，在系统架构或功能设计时，并不能简单选择 AP 或者 CP。</p>
<p>而且，系统实际运行中，对于 CAP 理论中的每个元素，实际并不都是非黑即白的。比如一致性，有强一致性，也有弱一致性，即便暂时大量数据不一致，在经历一段时间后，不一致数据会减少，不一致率会降低。又如可用性，系统可能会出现部分功能异常，其他功能正常，或者压力过大，只能支持部分用户的请求的情况。甚至分区也可以有一系列中间状态，区域网络完全中断的情况较少，但网络通信条件却可以在 0~100% 之间连续变化，而且系统内不同业务、不同功能、不同组件对分区还可以有不同的认知和设置。</p>
<p>最后，CAP 经典理论，没有考虑实际业务中网络延迟问题，延迟自始到终都存在，甚至分区异常P都可以看作一种延迟，而且这种延迟可以是任意时间，1 秒、1 分钟、1 小时、1 天都有可能，此时系统架构和功能设计时就要考虑，如何进行定义区分及如何应对。</p>
<p>这些问题，传统的 CAP 经典理论并没有给出解决方案，开发者如果简单进行三选二，就会进入误区，导致系统在运行中问题连连。</p>
</div>
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