CAP 理论笔记
一、CAP 理论概述
CAP 理论由 Eric Brewer 于 2000 年提出，并在 2002 年被正式证明。它描述了分布式系统在 一致性（Consistency）、可用性（Availability）、分区容忍性（Partition Tolerance） 三个特性之间的取舍。
CAP 三个核心概念：
- C（Consistency，一致性）
所有节点在同一时间的数据视图一致。
表现：客户端无论连接哪个节点，都能读取到最新数据。 - A（Availability，可用性）
每个请求都能在有限时间内得到响应（成功或失败）。
表现：即使部分节点宕机，系统也能正常对外提供服务。 - P（Partition Tolerance，分区容忍性）
系统能够容忍网络分区（节点间通信中断）并继续提供服务。
表现：即使集群被分隔成多个子集群，系统仍能运行。
二、为什么不能同时满足 CAP 三者？
原因：
分布式系统不可避免会出现 网络分区（P），如果系统要求 可用性（A），必须继续响应请求；如果要求 一致性（C），必须等待所有节点同步完成再返回结果。这两者在网络分区时是冲突的。
直观示例：
- 如果要保证 一致性（C）：
网络分区后，某个节点接到写请求，必须等待另一个分区的节点确认，导致无法响应，降低可用性。 - 如果要保证 可用性（A）：
网络分区后，节点仍然独立处理请求，但不同分区的数据可能不一致。
三、CAP 三者的关系
CAP 理论核心结论：
在分布式系统中，网络分区（P）必然会发生，因此只能在 一致性（C）和可用性（A）之间取舍。
对应组合：
- CP 系统（Consistency + Partition Tolerance）
特点：牺牲可用性，保证一致性。
示例：ZooKeeper、HBase。 - AP 系统（Availability + Partition Tolerance）
特点：牺牲强一致性，保证可用性，采用最终一致性。
示例：Cassandra、Eureka。 - CA 系统（Consistency + Availability）
特点：不考虑网络分区（单机数据库）。
示例：MySQL 单机模式。
四、分布式场景下的 CAP 取舍
| 系统类型 | 选择 | 典型案例 |
|---|---|---|
| 单机数据库 | CA | MySQL 单机 |
| 分布式协调服务 | CP | Zookeeper、etcd |
| 分布式缓存系统 | AP | Redis Cluster、Cassandra |
五、CAP 理论在常见系统中的应用
1. MySQL 主从复制
-
目标：数据一致性高（主从同步），但延迟可能影响可用性。
-
方案：
- 强一致性（CP）：主从同步采用 同步复制，但可用性下降。
- 高可用（AP）：主从同步采用 异步复制，提升可用性，但可能出现短暂不一致。
2. Redis Cluster
-
目标：高可用性。
-
Redis 选择 AP：
- 分区时，仍然接受请求，保证可用性。
- 通过 异步复制 + 最终一致性 解决数据一致性问题。
3. ZooKeeper
-
目标：强一致性。
-
ZooKeeper 选择 CP：
- 网络分区时，为保持一致性，部分节点拒绝服务，降低可用性。
六、CAP 与 BASE 理论
CAP 是基础理论，而实际工程中，很多系统选择 AP + 最终一致性，这就是 BASE 理论：
- Basically Available（基本可用）
- Soft State（软状态）
- Eventually Consistent（最终一致性）
七、图解 CAP
CAP 三角关系+-----------+| C || || |+----+----+ || | |A P
- CA：单机系统。
- CP：一致性 + 分区容忍 → 牺牲可用性。
- AP：可用性 + 分区容忍 → 牺牲强一致性。
八、面试高频问答
Q1：CAP 理论中，为什么不能同时满足三者？
- 网络分区（P）在分布式系统中必然发生。
- 分区发生时，保证 一致性（C） 需要同步确认，降低可用性。
- 保证 可用性（A） 则必须放弃强一致性。
Q2：MySQL 属于 CAP 哪种？
-
单机：CA。
-
主从复制：
- 同步复制：CP。
- 异步复制：AP。
Q3：Redis 属于 CAP 哪种？
- Redis Cluster：AP（高可用 + 最终一致性）。
Q4：ZooKeeper 属于哪种？
- CP（牺牲可用性，保证一致性）。
Q5：CAP 理论与 BASE 理论区别？
- CAP：理论模型，三者不可兼得。
- BASE：工程实践，强调最终一致性。
九、总结表
| 特性 | 含义 | 典型场景 |
|---|---|---|
| C | 所有节点数据一致 | 事务数据库 |
| A | 每次请求都能得到响应 | 分布式缓存 |
| P | 系统能容忍分区故障并继续提供服务 | 所有分布式系统必须具备的能力 |