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<title>01 如何证明分布式系统的 CAP 理论？.md.html</title>
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<span>技术文章摘抄</span>
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<li><a href="../">上一级</a></li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/00 开篇词：搭建分布式知识体系，挑战高薪 Offer.md.html">00 开篇词：搭建分布式知识体系，挑战高薪 Offer</a>
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<a class="current-tab" href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/01 如何证明分布式系统的 CAP 理论？.md.html">01 如何证明分布式系统的 CAP 理论？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/02 不同数据一致性模型有哪些应用？.md.html">02 不同数据一致性模型有哪些应用？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/03 如何透彻理解 Paxos 算法？.md.html">03 如何透彻理解 Paxos 算法？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/04 ZooKeeper 如何保证数据一致性？.md.html">04 ZooKeeper 如何保证数据一致性？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/05 共识问题：区块链如何确认记账权？.md.html">05 共识问题：区块链如何确认记账权？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/06 如何准备一线互联网公司面试？.md.html">06 如何准备一线互联网公司面试？</a>
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</li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/07 分布式事务有哪些解决方案？.md.html">07 分布式事务有哪些解决方案？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/08 对比两阶段提交，三阶段协议有哪些改进？.md.html">08 对比两阶段提交，三阶段协议有哪些改进？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/09 MySQL 数据库如何实现 XA 规范？.md.html">09 MySQL 数据库如何实现 XA 规范？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/10 如何在业务中体现 TCC 事务模型？.md.html">10 如何在业务中体现 TCC 事务模型？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/11 分布式锁有哪些应用场景和实现？.md.html">11 分布式锁有哪些应用场景和实现？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/12 如何使用 Redis 快速实现分布式锁？.md.html">12 如何使用 Redis 快速实现分布式锁？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/13 分布式事务考点梳理 + 高频面试题.md.html">13 分布式事务考点梳理 + 高频面试题</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/14 如何理解 RPC 远程服务调用？.md.html">14 如何理解 RPC 远程服务调用？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/15 为什么微服务需要 API 网关？.md.html">15 为什么微服务需要 API 网关？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/16 如何实现服务注册与发现？.md.html">16 如何实现服务注册与发现？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/17 如何实现分布式调用跟踪？.md.html">17 如何实现分布式调用跟踪？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/18 分布式下如何实现配置管理？.md.html">18 分布式下如何实现配置管理？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/19 容器化升级对服务有哪些影响？.md.html">19 容器化升级对服务有哪些影响？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/20 ServiceMesh：服务网格有哪些应用？.md.html">20 ServiceMesh：服务网格有哪些应用？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/21 Dubbo vs Spring Cloud：两大技术栈如何选型？.md.html">21 Dubbo vs Spring Cloud：两大技术栈如何选型？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/22 分布式服务考点梳理 + 高频面试题.md.html">22 分布式服务考点梳理 + 高频面试题</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/23 读写分离如何在业务中落地？.md.html">23 读写分离如何在业务中落地？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/24 为什么需要分库分表，如何实现？.md.html">24 为什么需要分库分表，如何实现？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/25 存储拆分后，如何解决唯一主键问题？.md.html">25 存储拆分后，如何解决唯一主键问题？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/26 分库分表以后，如何实现扩容？.md.html">26 分库分表以后，如何实现扩容？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/27 NoSQL 数据库有哪些典型应用？.md.html">27 NoSQL 数据库有哪些典型应用？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/28 ElasticSearch 是如何建立索引的？.md.html">28 ElasticSearch 是如何建立索引的？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/29 分布式存储考点梳理 + 高频面试题.md.html">29 分布式存储考点梳理 + 高频面试题</a>
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</li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/30 消息队列有哪些应用场景？.md.html">30 消息队列有哪些应用场景？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/31 集群消费和广播消费有什么区别？.md.html">31 集群消费和广播消费有什么区别？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/32 业务上需要顺序消费，怎么保证时序性？.md.html">32 业务上需要顺序消费，怎么保证时序性？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/33 消息幂等：如何保证消息不被重复消费？.md.html">33 消息幂等：如何保证消息不被重复消费？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/34 高可用：如何实现消息队列的 HA？.md.html">34 高可用：如何实现消息队列的 HA？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/35 消息队列选型：Kafka 如何实现高性能？.md.html">35 消息队列选型：Kafka 如何实现高性能？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/36 消息队列选型：RocketMQ 适用哪些场景？.md.html">36 消息队列选型：RocketMQ 适用哪些场景？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/37 消息队列考点梳理 + 高频面试题.md.html">37 消息队列考点梳理 + 高频面试题</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/38 不止业务缓存，分布式系统中还有哪些缓存？.md.html">38 不止业务缓存，分布式系统中还有哪些缓存？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/39 如何避免缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩？.md.html">39 如何避免缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩？</a>
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</li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/40 经典问题：先更新数据库，还是先更新缓存？.md.html">40 经典问题：先更新数据库，还是先更新缓存？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/41 失效策略：缓存过期都有哪些策略？.md.html">41 失效策略：缓存过期都有哪些策略？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/42 负载均衡：一致性哈希解决了哪些问题？.md.html">42 负载均衡：一致性哈希解决了哪些问题？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/43 缓存高可用：缓存如何保证高可用？.md.html">43 缓存高可用：缓存如何保证高可用？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/44 分布式缓存考点梳理 + 高频面试题.md.html">44 分布式缓存考点梳理 + 高频面试题</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/45 从双十一看高可用的保障方式.md.html">45 从双十一看高可用的保障方式</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/46 高并发场景下如何实现系统限流？.md.html">46 高并发场景下如何实现系统限流？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/47 降级和熔断：如何增强服务稳定性？.md.html">47 降级和熔断：如何增强服务稳定性？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/48 如何选择适合业务的负载均衡策略？.md.html">48 如何选择适合业务的负载均衡策略？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/49 线上服务有哪些稳定性指标？.md.html">49 线上服务有哪些稳定性指标？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/50 分布式下有哪些好用的监控组件？.md.html">50 分布式下有哪些好用的监控组件？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/51 分布式下如何实现统一日志系统？.md.html">51 分布式下如何实现统一日志系统？</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/52 分布式路漫漫，厚积薄发才是王道.md.html">52 分布式路漫漫，厚积薄发才是王道</a>
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<div class="book-post">
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<p id="tip" align="center"></p>
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<div><h1>01 如何证明分布式系统的 CAP 理论？</h1>
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<p>本课时我们主要介绍分布式系统中最基础的 CAP 理论及其应用。
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对于开发或设计分布式系统的架构师、工程师来说，CAP 是必须要掌握的基础理论，CAP 理论可以帮助架构师对系统设计中目标进行取舍，合理地规划系统拆分的维度。下面我们先讲讲分布式系统的特点。</p>
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<h2>分布式系统的特点</h2>
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<p>随着移动互联网的快速发展，互联网的用户数量越来越多，产生的数据规模也越来越大，对应用系统提出了更高的要求，我们的系统必须支持高并发访问和海量数据处理。
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分布式系统技术就是用来解决集中式架构的性能瓶颈问题，来适应快速发展的业务规模，一般来说，分布式系统是建立在网络之上的硬件或者软件系统，彼此之间通过消息等方式进行通信和协调。
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分布式系统的核心是<strong>可扩展性</strong>，通过对服务、存储的扩展，来提高系统的处理能力，通过对多台服务器协同工作，来完成单台服务器无法处理的任务，尤其是高并发或者大数据量的任务。
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除了对可扩展性的需求，分布式系统<strong>还有不出现单点故障、服务或者存储无状态等特点</strong>。</p>
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<ul>
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<li>单点故障（Single Point Failure）是指在系统中某个组件一旦失效，这会让整个系统无法工作，而不出现单点故障，单点不影响整体，就是分布式系统的设计目标之一；</li>
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<li>无状态，是因为无状态的服务才能满足部分机器宕机不影响全部，可以随时进行扩展的需求。
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由于分布式系统的特点，在分布式环境中更容易出现问题，比如节点之间通信失败、网络分区故障、多个副本的数据不一致等，为了更好地在分布式系统下进行开发，学者们提出了一系列的理论，其中具有代表性的就是 CAP 理论。</li>
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</ul>
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<h2>CAP 代表什么含义</h2>
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<p>CAP 理论可以表述为，一个分布式系统最多只能同时满足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容忍性（Partition Tolerance）这三项中的两项。
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<img src="assets/Ciqah16ER_SAGmCqAADG3jNX34o901.png" alt="img" /></p>
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<p><strong>一致性</strong>是指“所有节点同时看到相同的数据”，即更新操作成功并返回客户端完成后，所有节点在同一时间的数据完全一致，等同于所有节点拥有数据的最新版本。
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<strong>可用性</strong>是指“任何时候，读写都是成功的”，即服务一直可用，而且是正常响应时间。我们平时会看到一些 IT 公司的对外宣传，比如系统稳定性已经做到 3 个 9、4 个 9，即 99.9%、99.99%，这里的 N 个 9 就是对可用性的一个描述，叫做 SLA，即服务水平协议。比如我们说月度 99.95% 的 SLA，则意味着每个月服务出现故障的时间只能占总时间的 0.05%，如果这个月是 30 天，那么就是 21.6 分钟。
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<strong>分区容忍性</strong>具体是指“当部分节点出现消息丢失或者分区故障的时候，分布式系统仍然能够继续运行”，即系统容忍网络出现分区，并且在遇到某节点或网络分区之间网络不可达的情况下，仍然能够对外提供满足一致性和可用性的服务。
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在分布式系统中，由于系统的各层拆分，P 是确定的，CAP 的应用模型就是 CP 架构和 AP 架构。分布式系统所关注的，就是在 Partition Tolerance 的前提下，如何实现更好的 A 和更稳定的 C。</p>
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<h3>CAP 理论的证明</h3>
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<p>CAP 理论的证明有多种方式，通过<strong>反证</strong>的方式是最直观的。反证法来证明 CAP 定理，最早是由 Lynch 提出的，通过一个实际场景，如果 CAP 三者可同时满足，由于允许 P 的存在，则一定存在 Server 之间的丢包，如此则不能保证 C。
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<img src="assets/Cgq2xl6ER_SAIiA0AACyIE8xkbY529.png" alt="img" />
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首先构造一个单机系统，如上图，Client A 可以发送指令到 Server 并且设置更新 X 的值，Client 1 从 Server 读取该值，在单点情况下，即没有网络分区的情况下，通过简单的事务机制，可以保证 Client 1 读到的始终是最新值，不存在一致性的问题。
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<img src="assets/Ciqah16ER_SAbt2BAAGrjnzOmj0352.png" alt="img" />
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我们在系统中增加一组节点，因为允许分区容错，Write 操作可能在 Server 1 上成功，在 Server 2 上失败，这时候对于 Client 1 和 Client 2，就会读取到不一致的值，出现不一致的情况。如果要保持 X 值的一致性，Write 操作必须同时失败， 也就是降低系统的可用性。
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可以看到，在分布式系统中，无法同时满足 CAP 定律中的“一致性”“可用性”和“分区容错性”三者。
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在该证明中，对 CAP 的定义进行了更明确的声明：</p>
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<ul>
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<li>Consistency，一致性被称为原子对象，任何的读写都应该看起来是“原子”的，或串行的，写后面的读一定能读到前面写的内容，所有的读写请求都好像被全局排序；</li>
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<li>Availability，对任何非失败节点都应该在有限时间内给出请求的回应（请求的可终止性）；</li>
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<li>Partition Tolerance，允许节点之间丢失任意多的消息，当网络分区发生时，节点之间的消息可能会完全丢失。</li>
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</ul>
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<h3>CAP 理论的应用</h3>
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<p>CAP 理论提醒我们，在架构设计中，不要把精力浪费在如何设计能满足三者的完美分布式系统上，而要合理进行取舍，CAP 理论类似数学上的不可能三角，只能三者选其二，不能全部获得。
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不同业务对于一致性的要求是不同的。举个例来讲，在微博上发表评论和点赞，用户对不一致是不敏感的，可以容忍相对较长时间的不一致，只要做好本地的交互，并不会影响用户体验；而我们在电商购物时，产品价格数据则是要求强一致性的，如果商家更改价格不能实时生效，则会对交易成功率有非常大的影响。
|
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需要注意的是，CAP 理论中是忽略网络延迟的，也就是当事务提交时，节点间的数据复制一定是需要花费时间的。即使是同一个机房，从节点 A 复制到节点 B，由于现实中网络不是实时的，所以总会有一定的时间不一致。</p>
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<h3>CP 和 AP 架构的取舍</h3>
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<p>在通常的分布式系统中，为了保证数据的高可用，通常会将数据保留多个<strong>副本</strong>（Replica），网络分区是既成的现实，于是只能在可用性和一致性两者间做出选择。CAP 理论关注的是在绝对情况下，在工程上，可用性和一致性并不是完全对立的，我们关注的往往是如何在保持相对一致性的前提下，提高系统的可用性。
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||
业务上对一致性的要求会直接反映在系统设计中，典型的就是 CP 和 AP 结构。</p>
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<ul>
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<li>CP 架构：对于 CP 来说，放弃可用性，追求一致性和分区容错性。</li>
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</ul>
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<p>我们熟悉的 ZooKeeper，就是采用了 CP 一致性，ZooKeeper 是一个分布式的服务框架，主要用来解决分布式集群中应用系统的协调和一致性问题。其核心算法是 Zab，所有设计都是为了一致性。在 CAP 模型中，ZooKeeper 是 CP，这意味着面对网络分区时，为了保持一致性，它是不可用的。关于 Zab 协议，将会在后面的 ZooKeeper 课时中介绍。</p>
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||
<ul>
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<li>AP 架构：对于 AP 来说，放弃强一致性，追求分区容错性和可用性，这是很多分布式系统设计时的选择，后面的 Base 也是根据 AP 来扩展的。</li>
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</ul>
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<p>和 ZooKeeper 相对的是 Eureka，Eureka 是 Spring Cloud 微服务技术栈中的服务发现组件，Eureka 的各个节点都是平等的，几个节点挂掉不影响正常节点的工作，剩余的节点依然可以提供注册和查询服务，只要有一台 Eureka 还在，就能保证注册服务可用，只不过查到的信息可能不是最新的版本，不保证一致性。</p>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/00 开篇词：搭建分布式知识体系，挑战高薪 Offer.md.html">上一页</a>
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<a href="/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/02 不同数据一致性模型有哪些应用？.md.html">下一页</a>
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<a class="off-canvas-overlay" onclick="hide_canvas()"></a>
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<script defer src="https://static.cloudflareinsights.com/beacon.min.js/v652eace1692a40cfa3763df669d7439c1639079717194" integrity="sha512-Gi7xpJR8tSkrpF7aordPZQlW2DLtzUlZcumS8dMQjwDHEnw9I7ZLyiOj/6tZStRBGtGgN6ceN6cMH8z7etPGlw==" data-cf-beacon='{"rayId":"70997691ae7d3cfa","version":"2021.12.0","r":1,"token":"1f5d475227ce4f0089a7cff1ab17c0f5","si":100}' crossorigin="anonymous"></script>
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</body>
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<!-- Global site tag (gtag.js) - Google Analytics -->
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<script async src="https://www.googletagmanager.com/gtag/js?id=G-NPSEEVD756"></script>
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<script>
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window.dataLayer = window.dataLayer || [];
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function gtag() {
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dataLayer.push(arguments);
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}
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gtag('js', new Date());
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gtag('config', 'G-NPSEEVD756');
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var path = window.location.pathname
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var cookie = getCookie("lastPath");
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console.log(path)
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if (path.replace("/", "") === "") {
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if (cookie.replace("/", "") !== "") {
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console.log(cookie)
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document.getElementById("tip").innerHTML = "<a href='" + cookie + "'>跳转到上次进度</a>"
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}
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} else {
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setCookie("lastPath", path)
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}
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function setCookie(cname, cvalue) {
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var d = new Date();
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d.setTime(d.getTime() + (180 * 24 * 60 * 60 * 1000));
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var expires = "expires=" + d.toGMTString();
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document.cookie = cname + "=" + cvalue + "; " + expires + ";path = /";
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}
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function getCookie(cname) {
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var name = cname + "=";
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var ca = document.cookie.split(';');
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for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
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var c = ca[i].trim();
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if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
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}
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return "";
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}
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</script>
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</html>
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