概述 CAP 和 BASE 理论

基本上接触过分布式系统的朋友都知道 CAP 和 BASE 理论，这两个理论对工程实践中的分布式架构设计具有重要的影响。CAP 理论是加州大学伯克利分校的 Eric Brewer 教授提出的，并被 MIT 的 Seth Gilbert 和 Nancy Lynch 使用学术理论进行了严格的证明。

CAP 和 BASE 理论都有数学证明，但今天打算以一种轻松些的方式来最两个理论做个浅显的解释。

最近偶尔刷一集《大明王朝1566》，这部剧之前看过开头几集，后来因为画质差没资源没有继续看，最近优酷貌似重制了，清晰度好了一些，就偶尔有时间刷一集，这真是一部好剧啊。今天就拿大明王朝的故事背景来对 CAP 和 BASE 理论做个介绍吧，希望不会写的太烂。

大明王朝故事背景

历史上学过明朝设有内阁和司礼监，皇帝通过管理内阁和司礼监来管理天下，这种机制其实应该是很先进的皇权机制了。不过，明嘉靖帝，沉迷修道升仙，执政期间严嵩父子把持朝政、一手遮天、贪墨不计其数。虽说内阁和司礼监腐败严重，但剧里内阁的严嵩和司礼监的吕公公在决策上还是会听皇帝的。这就不讲了，现在回归主题吧，现在主要引入剧中的如下几个人：

• 嘉靖：明朝皇帝，对于重要决策，一般会联合内阁和司礼监进行商讨，最终各方达成一致；
• 严嵩：内阁首辅，主要管理两京一十三省的各地官员；
• 吕芳：司礼监总管，主要管理宫廷有关的事宜；
• 杨金水：吕芳干儿子，任浙江任织造局总管，主要负责江浙织造丝绸管理，卖丝绸，其实就是替皇帝做生意的；
• 郑泌昌、何茂才：严嵩手下，一个任浙江巡抚，一个是按察使，属封疆大吏；
• 海瑞：时任杭州淳安县知县，由裕王举荐而来，奉命处理堤坝决堤后的赈灾事情；

为什么 CAP 无法同时被满足？

故事发生时，南有戚继光抗倭激战，北有鞑靼入侵，急需大量军需，然经过长达二十多年的朝政腐败，国库空虚，皇帝经过与内阁和司礼监商量后，决定在浙江推行改稻为桑的国策，就是把稻田改为桑田养蚕生丝，进而多织丝绸出口赚钱，然而遭到农民反对，郑必昌何茂才在收到严嵩儿子密令后，决定决堤淹城，以达到改稻为桑的目的，事发后，淳安全部被淹、建德半数被淹，灾民无数。这时，海瑞出场了，其到达淳安后，发现贪腐严重，堤坝被毁另有隐情，阻止改稻为桑，决定一查到底。

海瑞毕竟是皇帝儿子举荐的官儿，郑何和杨金水等人不敢任意干掉海瑞，只能上书上司，杨金水就写信给吕芳，郑何二人就写信给严嵩儿子。因为改稻为桑推行不下去是大事啊，所以严嵩和吕芳都非常重视，收到来信后立即想了对策，然而两人想的对策不一样，等皇上来决定吧，决定完了下发到浙江官员。正巧这个时候嘉靖在修道升仙，闭关不问世事。这样，两个人的意见不一致，并且无法达到统一，底下人都在等着回信，如果十天收不到回信下面可能就乱了，但是皇帝要闭关一个月。

上面这段陈述中：

• 皇帝闭关就相当于严嵩和吕芳达成一致的通道断了，在分布式中就是两个节点发生了网络分区；

• 底下人等着回信，十天没收到回信就乱了，如果十天内收到了上面的回信，对应到分布式中就是保证了可用性；

• 严嵩和吕芳就意见无法达成一致，那么对应到分布式中就是没有保证一致性

再简述一下分布式系统中 CAP 的意义：

• P 代表着分区容忍性，要满足 P 就表示允许网络分区的发生(允许嘉靖帝闭关)；

• C 表示一致性，满足 C 就要求所有节点数据需要一致(严嵩和吕芳意见应该达成一致)；

• A 表示可用性，就是说对于他人的请求，节点需要提供服务响应的返回(严嵩和吕芳不让下面的人等过久)

那为什么 CAP 无法同时满足呢？

• 如果满足 CP，那么由于嘉靖帝闭关的一个月期间(P)，严嵩和吕芳无法通过嘉靖帝达成一致，如果要保证一致(C)，那就只能等嘉靖帝出关，然而这需要一个月的时间，下面的人早就等疯了，这就相当于服务不可用了，所以无法满足 A；

• 如果满足 AP，那么严嵩和吕芳必须在10天内回复(A)，然而皇帝闭关一个月(P)，那么两人在十天内是无法达成一致的，也就是无法满足 C；

• 如果满足 CA，要在10天内回复下层官员，另外严嵩和吕芳两人也要意见一致，那只能在10天内请皇帝出关了，那就无法满足 P；

不知道这么讲是否够明白，CAP三个要求是无法同时满足的，那 BASE 理论在 CAP 的基础上做了什么让步和平衡？下面一起来看看。

BASE 基于 CAP 做了什么样的权衡？

BASE 包含三个方面：Basically Available(基本可用)、Soft state(弱状态)和 Eventually consistent(最终一致性)。我们从上面的故事来说一下这几个概念。

对于分布式系统来说，必须要满足分区容错性，否则各个节点就相当于一个节点了，分布式就没有任何意义了。在满足分区容错性的条件下：

• Basically Available

就是说节点在出现问题时，不是完全不可用，而是允许损失部分可用性。例如，严嵩和吕芳无法达成一致，这时不能让下面等待一个月没有回信，这时发送一个降级的决策(例如让下面官员先跟海瑞等进行斡旋，不让其查到要命的证据)，或者下面官员自己先搞一些应对措施，然后加长等待时间(可以等待一个月)，这样，整个系统不至于完全乱掉，而是先有一些应对措施。这就是基本可用。

• Soft state

严嵩和吕芳先将自己的第一个建议性的决策下发，等待皇帝出关后再进行一致性决策。在第一个建议性的决策到最终一致性决策期间，其实两方的意见并不一致，BASE理论允许在一定时间内存在这种状态。这就是软状态。

• Eventually consistent

在皇帝出关后，吕芳严嵩立即与皇帝协商，然后得到一致的决策。这个时候，如果下面应付不了，那么会再次上书，这时，严嵩吕芳已经有了一致的结论，那么再次下发给下层官员时，就是一致的决策了，这样郑必昌、何茂才、杨金水就可以已一致性的态度对待海瑞了。这就是最终一致性。