CAP 理論 —— 最通俗的解釋

CAP 理論是分布式系統的一個基礎理論，它描述了任何一個分布式系統最多隻能滿足以下三個特性中的兩個：

• 一緻性（Consistency）
• 可用性（Availability）
• 分區容忍性（Partition tolerance）

CAP 理論聽起來十分抽象，本文嘗試以生活中的例子并用通俗易懂的語言來解釋 CAP 理論的含義。

第一章：“記憶公司”面世

一天晚上，正準備入睡時，你的妻子對你記住她生日并送她禮物表示感謝。這時，一個商業想法從你的腦海中閃現：人們總是弱于記憶生活中的事情，而我卻擁有超群的記憶力，是以，為何不成立一間公司可以充分運用自己的記憶天賦來賺錢。說幹就幹，接着你在當地一間報社刊登了記憶公司的宣傳廣告：

記憶公司 —— 你的事情永不會忘記

還在為你老是忘記而苦惱？福音來了，隻須一個電話。

當你需要記着某件事情時，請撥打 400 - 888 - 8888，告訴我們你需要記住的事情，下次你需要找回這件事情，請再次撥打電話，我們将會告訴你的所需。

收費： 每次隻需要 10 元。

以下是一次你和顧客的電話對話。

• 顧客：Hey，麻煩幫我記住我鄰居的生日。
• 你：好。你鄰居生日是什麼時候？
• 顧客：1月2日。
• 你：（在一個本子，翻到這位顧客的一頁，記錄下他鄰居的生日。）好的，已記錄好。下次你找回鄰居的生日，請再次撥打電話。
• 顧客：謝謝。
• 你：不客氣，本次收費 10 元。

第二章：業務擴大了

随着時間的推移，記憶公司的業務發展得越來越好，越來越多的顧客打電話進來需要服務。雖然賺到的錢越來越多，但也産生了一個新的問題。

顧客打電話進來時，需要等待的時間越來越多，另外，當你生病時，所有顧客都不能獲得服務，這令人很是煩惱。

于是，你想出了一個新的計劃：

• 你和你的妻子同時接收顧客的電話
• 顧客仍然隻需要記着一個公司的服務電話 400 - 888 - 8888
• 一個路由器會将顧客的電話分發到你和妻子電話上

第三章：服務出錯了

新計劃實施兩天後，你接到了一個名叫 John 的電話，John 是個老顧客了。

• John：Hey
• 你：你好，歡迎撥打記憶公司電話，有什麼可以幫到你嗎
• John：可以告訴我去紐澤西的航班是什麼時候嗎
• 你：當然。（然後你翻開 John 的頁面，發現并沒有 John 航班的記錄）
• 你：你好，是不是搞錯了，我們這裡并沒有關于你航班的資訊
• John：什麼？！昨天我才剛打電話過來說去紐澤西航班的事情

哪裡出錯了？難道 John 撒謊了。你繼續思考導緻出錯的原因。會不會是妻子接到了電話？你走到妻子的桌子，發現妻子将 John 的航班記錄在了本子上，這時你才意識到導緻問題的原因，妻子接聽到 John 的電話，但你的本子沒有 John 的記錄。

如果将上面的實施計劃稱一個分布式的設計，那這個設計存在明顯的問題——一緻性（consistent）的問題。打進來的電話可能其中一人接聽并記錄下來，下次電話查詢時卻可能由另一人接聽，這樣就會出現不一緻的問題，無法為顧客準确提供服務。

第四章：解決一緻性問題

晚上你在床上翻來覆去，最後想到一個解決一緻性問題的辦法，你把新的計劃告訴妻子：

• 每次接收記錄的電話（顧客要求幫忙記住他們的事情）時，我們同時告知另一個人
• 這樣，我們兩個人都會在本子更新這位顧客的記錄
• 下次這位顧客再次打電話進來查詢，這時我們不需要告知對方，因為兩個本子都有這位顧客的記錄了

這個方法隻有一個問題，你告訴妻子，當有顧客需要記錄時，我們不能并行地工作。例如，你接收到記錄的電話并這個資訊告知我，這時我就不能再接聽其他顧客的電話了。但這個問題基本上也是可以接受的，因為大部分顧客的電話都是查詢的。

老公你真聰明，妻子稱贊你，但這個設計還有一個問題。如果某天我們其中一個人有事不能工作了怎麼辦？由于我們要求每次接到記錄電話需要同時更新兩個本子，這就導緻我們不能為顧客提供記錄的服務，這樣就導緻無法滿足 可用性（availability）的要求。例如，當我接到一個記錄的電話時，而你恰好不在，這樣我就無法完成這個顧客的服務。這是由于我無法要求你更新你的本子。

第五章：更好的辦法

這時你才意識到，設計一個分布式的系統是多麼的不容易，難道就沒有同時滿足 一緻性和可用性 的設計嗎？

又經過一晚的思考，你想到一個兩全其美的辦法，新的辦法跟之前的很相似。你把新的辦法告訴妻子：

• 當接到記錄的電話（顧客要求為他們記錄事情），如果我們兩人當天都上班，那麼我們同時記錄下這位顧客的記錄
• 但如果另一人當天沒上班，我們可以将記錄通過 E-mail 的方式發送給不上班的人
• 第二天，沒上班的人上班後第一件事就是接收所有的 E-mail ，并在自己的本子上記錄所有顧客的要求。記錄好後，才開始接收第一個電話。

真是天才，妻子說，這個辦法我找不出任何問題了，而且可以同時滿足 一緻性和可用性 的要求。

第六章：妻子生氣了

第七章：結論

• 一緻性：一旦顧客更新了記錄，下次再打電話查詢時，總能擷取最新的記錄
• 可用性：隻要你和妻子有人上班，記憶公司總能為顧客提供服務
• 分區容忍性：即使你和妻子的溝通無法進行，記憶公司仍然可以提供服務

番外篇：背後的記錄員

參考資料

1. http://ksat.me/a-plain-english-introduction-to-cap-theorem/
2. http://robertgreiner.com/2014/08/cap-theorem-revisited/
3. https://mwhittaker.github.io/blog/an_illustrated_proof_of_the_cap_theorem/