CAP定理、ACID模型、BASE模型

参考资料:http://www.jdon.com/37625

CAP定理:在理论计算机科学中,CAP定理(CAP theorem),又被称作布鲁尔定理(Brewer's theorem),它指出对于一个分布式计算系统来说,不可能同时满足以下三点:

  • 一致性(Consistency)(所有节点在同一时间具有相同的数据)
  • 可用性(Availability)(保证每个请求不管成功或者失败都有响应)
  • 分隔容忍(Partition tolerance)(系统中任意信息的丢失或失败不会影响系统的继续运作)

根据定理,分布式系统只能满足三项中的两项而不可能满足全部三项。

架构师不要将精力浪费在如何设计能满足三者的完美分布式系统,而是应该进行取舍。

ACID模型:ACID,是指数据库管理系统(DBMS)在写入/异动资料的过程中,为保证交易(transaction)是正确可靠的,所必须具备的四个特性:

  • 原子性(Atomicity,或称不可分割性)、
  • 一致性(Consistency)
  • 隔离性(Isolation,又称独立性)
  • 持久性(Durability)。

在数据库系统中,一个交易是指:由一系列数据库操作组成的一个完整的逻辑过程。例如银行转帐,从原账户扣除金额,以及向目标账户添加金额,这两个数据库操作的总和,构成一个完整的逻辑过程,不可拆分。这个过程被称为一个交易,具有ACID特性。ACID的概念在ISO/IEC 10026-1:1992文件的第四段内有所说明。

目前主要有两种方式实现ACID:第一种是Write ahead logging,也就是日志式的方式。第二种是Shadow paging。

相关论述

关系数据库的ACID模型拥有 高一致性 + 可用性 很难进行分区:
Atomicity原子性:一个事务中所有操作都必须全部完成,要么全部不完成。
Consistency一致性. 在事务开始或结束时,数据库应该在一致状态。
Isolation隔离层. 事务将假定只有它自己在操作数据库,彼此不知晓。
Durability. 一旦事务完成,就不能返回。
跨数据库事务:2PC (two-phase commit), 2PC is the anti-scalability pattern (Pat Helland) 是反可伸缩模式的,JavaEE中的JTA事务可以支持2PC。因为2PC是反模式,尽量不要使用2PC,使用BASE来回避。
BASE模型反ACID模型,完全不同ACID模型,牺牲高一致性,获得可用性或可靠性:
Basically Available基本可用。支持分区失败(e.g. sharding碎片划分数据库)
Soft state软状态 状态可以有一段时间不同步,异步。
Eventually consistent最终一致,最终数据是一致的就可以了,而不是时时高一致。

BASE思想的主要实现有
1.按功能划分数据库
2.sharding碎片

BASE思想主要强调基本的可用性,如果你需要High 可用性,也就是纯粹的高性能,那么就要以一致性或容错性为牺牲,BASE思想的方案在性能上还是有潜力可挖的。

现在NoSQL运动丰富了拓展了BASE思想,可按照具体情况定制特别方案,比如忽视一致性,获得高可用性等等,NOSQL应该有下面两个流派:
1. Key-Value存储,如Amaze Dynamo等,可根据CAP三原则灵活选择不同倾向的数据库产品。
2. 领域模型 + 分布式缓存 + 存储 (Qi4j和NoSQL运动),可根据CAP三原则结合自己项目定制灵活的分布式方案,难度高。

这两者共同点:都是关系数据库SQL以外的可选方案,逻辑随着数据分布,任何模型都可以自己持久化,将数据处理和数据存储分离,将读和写分离,存储可以是异步或同步,取决于对一致性的要求程度。

不同点:NOSQL之类的Key-Value存储产品是和关系数据库头碰头的产品BOX,可以适合非Java如PHP RUBY等领域,是一种可以拿来就用的产品,而领域模型 + 分布式缓存 + 存储是一种复杂的架构解决方案,不是产品,但这种方式更灵活,更应该是架构师必须掌握的。

相关书籍:语言与机器计算机科学理论导论


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