關(guān)于NewSQL數(shù)據(jù)庫對(duì)于CAP的再解釋

作者 石默研

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關(guān)于CAP的討論已經(jīng)很多，包括作者的另一篇文章“對(duì)CAP的初步解釋”，基本已經(jīng)即定思維的理解就是：分布式系統(tǒng)必須遵循CAP，一個(gè)分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只能同時(shí)滿足其中兩個(gè)，不可能同時(shí)滿足；傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫選擇A與C，代表了互聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)的NoSQL數(shù)據(jù)庫則選擇A與P（或者C與P，雖然這種情況其實(shí)需要詳細(xì)討論）。

但是，近年來，新興的NewSQL數(shù)據(jù)庫（TiDB或者OceanBase），則是一種在分布式環(huán)境下，保證的ACID強(qiáng)事務(wù)特征的強(qiáng)一致性數(shù)據(jù)庫，并且很顯然，它同時(shí)也滿足了高可用性與優(yōu)秀的分區(qū)可容忍性（很好的可擴(kuò)展特性便是其一個(gè)層面的證明），似乎看起來，C、A、P都同時(shí)保證了，這不是違反了已經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格證明的CAP理論嗎？

這個(gè)問題初看起來，似乎是比較神奇，但仔細(xì)分析，其實(shí)答案是很明顯的。

首先，需要讀者區(qū)分“分布式”與CAP中所提到的分區(qū)可容忍性Paritition Tolerance并不是一回事。分區(qū)可容忍性P是指以下兩種分布式的情況：

. 同一份數(shù)據(jù)的多個(gè)副本的可分布性

. 有相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的可分布性（操作中表現(xiàn)為保證ACID的強(qiáng)分布式事務(wù)）

即使是分庫分表，如果不存在以上兩種情況，只是獨(dú)立數(shù)據(jù)在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的情況，雖然也是分布式，但跟CAP中的P沒有半毛錢關(guān)系。

那么，還是回到上面的問題，NewSQL數(shù)據(jù)庫，確實(shí)也是在保證了同一份數(shù)據(jù)多副本的強(qiáng)讀寫一致性、以及強(qiáng)分布式事務(wù)特性這樣的C的情況下，同時(shí)保證了A與P呀！事實(shí)確實(shí)如此，但這還是要仔細(xì)分析：

無論是TiDB，還是OceanBase，其在保證數(shù)據(jù)多副本的強(qiáng)一致性時(shí)，都采用了Paxos協(xié)議或者Raft，它們簡(jiǎn)單來講就是多數(shù)選舉的原則，即寫不需要全部副本都完成，就能保證讀的強(qiáng)一致性，反過來也是一樣。因此，其在分布式情況下，保證數(shù)據(jù)讀寫強(qiáng)一致性的效率還是很高的，就是說，在同一個(gè)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，雖然這種分布可容忍性的滿足理論上講也會(huì)比單節(jié)點(diǎn)多一點(diǎn)點(diǎn)效率損失，但實(shí)際上是可以忽略不計(jì)的。但需要指出的是，在跨數(shù)據(jù)中心、跨城市的分布式情況下，如果要保證數(shù)據(jù)多副本的強(qiáng)一致性，即保證分區(qū)可容忍性，對(duì)效率（實(shí)際上是可用性A）的影響那還是不可忽略的。因此，在這種情況下，CAP理論依然成立。

再來看相互關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的可分布性，這就涉及到了分布式事務(wù)。現(xiàn)有的NewSQL數(shù)據(jù)庫，即使在同一數(shù)據(jù)中心，為了保證強(qiáng)的分布式事務(wù)，對(duì)效率的折衷都是不可忽略的，所謂的樂觀事務(wù)，只是因?yàn)榭陀^問題本身沖突就少，并不改變沖突很多時(shí)效率明顯受影響的現(xiàn)實(shí)。因此，NewSQL數(shù)據(jù)庫雖然提供強(qiáng)分布式事務(wù)的能力，但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，都是提倡盡量避免大量的分布式事務(wù)出現(xiàn)。如果你所遇到的應(yīng)用場(chǎng)景是確實(shí)需要大量的分布式事務(wù)執(zhí)行，又不做應(yīng)用優(yōu)化全交給數(shù)據(jù)庫執(zhí)行，那么，現(xiàn)有的NewSQL分布式數(shù)據(jù)庫，依然會(huì)遇到明顯的性能問題，其實(shí)就是可用性A降低了。同學(xué)仔細(xì)去研究應(yīng)用中的實(shí)際情況就會(huì)發(fā)現(xiàn)，很多互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，當(dāng)其所需要的QPS很高很高，而對(duì)讀寫一致性與強(qiáng)分布式事務(wù)的要求又不那很高時(shí)候，其實(shí)，NewSQL數(shù)據(jù)庫還是不能滿足他們的需求的，他們?nèi)匀恍枰鶕?jù)自己的情況改造或者選用NoSQL數(shù)據(jù)庫，這也是CAP理論并沒有被NewSQL打破的現(xiàn)實(shí)證明。

因此，總結(jié)來講，NewSQL數(shù)據(jù)庫，也是遵循CAP理論的，只不過，在同中心數(shù)據(jù)多副本情況下，保證P的同時(shí)對(duì)A的影響微乎其微；而在分布式事務(wù)的情況下，又采用了與應(yīng)用特性相關(guān)的策略（其實(shí)樂觀、悲觀事務(wù)本質(zhì)上就有根本應(yīng)用特性區(qū)分的意思）來保證性能而已。當(dāng)然，隨著網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)性能的提高，CAP三個(gè)特征中，保證其中兩個(gè)，折衷另外一個(gè)，所帶來的影響也會(huì)逐漸變小，但其理論依然是正確的。

什么是NoSQL數(shù)據(jù)庫？

2. 什么是NoSQL？

2.1 NoSQL 概述

NoSQL(NoSQL = Not Only SQL )，意即“不僅僅是SQL”，

泛指非關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫。隨著互聯(lián)網(wǎng)web2.0網(wǎng)站的興起，傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫在應(yīng)付web2.0網(wǎng)站，特別是超大規(guī)模和高并發(fā)的SNS類型的web2.0純動(dòng)態(tài)網(wǎng)站已經(jīng)顯得力不從心，暴露了很多難以克服的問題，而非關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫則由于其本身的特點(diǎn)得到了非常迅速的發(fā)展。NoSQL數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生就是為了解決大規(guī)模數(shù)據(jù)集合多重?cái)?shù)據(jù)種類帶來的挑戰(zhàn)，尤其是大數(shù)據(jù)應(yīng)用難題，包括超大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

（例如谷歌或Facebook每天為他們的用戶收集萬億比特的數(shù)據(jù)）。這些類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不需要固定的模式，無需多余操作就可以橫向擴(kuò)展。

2.2 NoSQL代表

MongDB、 Redis、Memcache

3. 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與NoSQL的區(qū)別？

3.1 RDBMS

高度組織化結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）

數(shù)據(jù)和關(guān)系都存儲(chǔ)在單獨(dú)的表中。

數(shù)據(jù)操縱語言，數(shù)據(jù)定義語言

嚴(yán)格的一致性

基礎(chǔ)事務(wù)

ACID

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫遵循ACID規(guī)則

事務(wù)在英文中是transaction，和現(xiàn)實(shí)世界中的交易很類似，它有如下四個(gè)特性：

A (Atomicity) 原子性

原子性很容易理解，也就是說事務(wù)里的所有操作要么全部做完，要么都不做，事務(wù)成功的條件是事務(wù)里的所有操作都成功，只要有一個(gè)操作失敗，整個(gè)事務(wù)就失敗，需要回滾。比如銀行轉(zhuǎn)賬，從A賬戶轉(zhuǎn)100元至B賬戶，分為兩個(gè)步驟：1）從A賬戶取100元；2）存入100元至B賬戶。這兩步要么一起完成，要么一起不完成，如果只完成第一步，第二步失敗，錢會(huì)莫名其妙少了100元。

C (Consistency) 一致性

一致性也比較容易理解，也就是說數(shù)據(jù)庫要一直處于一致的狀態(tài)，事務(wù)的運(yùn)行不會(huì)改變數(shù)據(jù)庫原本的一致性約束。

I (Isolation) 獨(dú)立性

所謂的獨(dú)立性是指并發(fā)的事務(wù)之間不會(huì)互相影響，如果一個(gè)事務(wù)要訪問的數(shù)據(jù)正在被另外一個(gè)事務(wù)修改，只要另外一個(gè)事務(wù)未提交，它所訪問的數(shù)據(jù)就不受未提交事務(wù)的影響。比如現(xiàn)有有個(gè)交易是從A賬戶轉(zhuǎn)100元至B賬戶，在這個(gè)交易還未完成的情況下，如果此時(shí)B查詢自己的賬戶，是看不到新增加的100元的

D (Durability) 持久性

持久性是指一旦事務(wù)提交后，它所做的修改將會(huì)永久的保存在數(shù)據(jù)庫上，即使出現(xiàn)宕機(jī)也不會(huì)丟失。

3.2 NoSQL

代表著不僅僅是SQL

沒有聲明性查詢語言

沒有預(yù)定義的模式

鍵 - 值對(duì)存儲(chǔ)，列存儲(chǔ)，文檔存儲(chǔ)，圖形數(shù)據(jù)庫

最終一致性，而非ACID屬性

非結(jié)構(gòu)化和不可預(yù)知的數(shù)據(jù)

CAP定理

高性能，高可用性和可伸縮性

分布式數(shù)據(jù)庫中的CAP原理(了解)

CAP定理：

Consistency(一致性), 數(shù)據(jù)一致更新，所有數(shù)據(jù)變動(dòng)都是同步的

Availability(可用性), 好的響應(yīng)性能

Partition tolerance(分區(qū)容錯(cuò)性) 可靠性

P: 系統(tǒng)中任意信息的丟失或失敗不會(huì)影響系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)作。

定理：任何分布式系統(tǒng)只可同時(shí)滿足二點(diǎn)，沒法三者兼顧。

CAP理論的核心是：一個(gè)分布式系統(tǒng)不可能同時(shí)很好的滿足一致性，可用性和分區(qū)容錯(cuò)性這三個(gè)需求，

因此，根據(jù) CAP 原理將 NoSQL 數(shù)據(jù)庫分成了滿足 CA 原則、滿足 CP 原則和滿足 AP 原則三 大類：

CA - 單點(diǎn)集群，滿足一致性，可用性的系統(tǒng)，通常在可擴(kuò)展性上不太強(qiáng)大。

CP - 滿足一致性，分區(qū)容忍性的系統(tǒng)，通常性能不是特別高。

AP - 滿足可用性，分區(qū)容忍性的系統(tǒng)，通常可能對(duì)一致性要求低一些。

CAP理論就是說在分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中，最多只能實(shí)現(xiàn)上面的兩點(diǎn)。

而由于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)硬件肯定會(huì)出現(xiàn)延遲丟包等問題，所以分區(qū)容忍性是我們必須需要實(shí)現(xiàn)的。

所以我們只能在一致性和可用性之間進(jìn)行權(quán)衡，沒有NoSQL系統(tǒng)能同時(shí)保證這三點(diǎn)。

說明：C：強(qiáng)一致性 A：高可用性 P：分布式容忍性

舉例：

CA：傳統(tǒng)Oracle數(shù)據(jù)庫

AP：大多數(shù)網(wǎng)站架構(gòu)的選擇

CP：Redis、Mongodb

注意：分布式架構(gòu)的時(shí)候必須做出取舍。

一致性和可用性之間取一個(gè)平衡。多余大多數(shù)web應(yīng)用，其實(shí)并不需要強(qiáng)一致性。

因此犧牲C換取P，這是目前分布式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的方向。

4. 當(dāng)下NoSQL的經(jīng)典應(yīng)用

當(dāng)下的應(yīng)用是 SQL 與 NoSQL 一起使用的。

代表項(xiàng)目：阿里巴巴商品信息的存放。

去 IOE 化。

ps：I 是指 IBM 的小型機(jī)，很貴的，好像好幾萬一臺(tái)；O 是指 Oracle 數(shù)據(jù)庫，也很貴的，好幾萬呢；M 是指 EMC 的存儲(chǔ)設(shè)備，也很貴的。

難點(diǎn)：

數(shù)據(jù)類型多樣性。

數(shù)據(jù)源多樣性和變化重構(gòu)。

數(shù)據(jù)源改造而服務(wù)平臺(tái)不需要大面積重構(gòu)。

CAP原則的與NoSQL的關(guān)系

傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在功能支持上通常很寬泛，從簡(jiǎn)單的鍵值查詢，到復(fù)雜的多表聯(lián)合查詢?cè)俚绞聞?wù)機(jī)制的支持。而與之不同的是，NoSQL系統(tǒng)通常注重性能和擴(kuò)展性，而非事務(wù)機(jī)制（事務(wù)就是強(qiáng)一致性的體現(xiàn)） 。傳統(tǒng)的SQL數(shù)據(jù)庫的事務(wù)通常都是支持ACID的強(qiáng)事務(wù)機(jī)制。A代表原子性，即在事務(wù)中執(zhí)行多個(gè)操作是原子性的，要么事務(wù)中的操作全部執(zhí)行，要么一個(gè)都不執(zhí)行;C代表一致性，即保證進(jìn)行事務(wù)的過程中整個(gè)數(shù)據(jù)加的狀態(tài)是一致的，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)花掉的情況;I代表隔離性，即兩個(gè)事務(wù)不會(huì)相互影響，覆蓋彼此數(shù)據(jù)等;D表示持久化，即事務(wù)一量完成，那么數(shù)據(jù)應(yīng)該是被寫到安全的，持久化存儲(chǔ)的設(shè)備上（比如磁盤）。NoSQL系統(tǒng)僅提供對(duì)行級(jí)別的原子性保證，也就是說同時(shí)對(duì)同一個(gè)Key下的數(shù)據(jù)進(jìn)行的兩個(gè)操作，在實(shí)際執(zhí)行的時(shí)候是會(huì)串行的執(zhí)行，保證了每一個(gè)Key-Value對(duì)不會(huì)被破壞。

當(dāng)前文章：nosql數(shù)據(jù)庫的cap,NoSQL數(shù)據(jù)庫的BASE特性是指
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