分布式系统入门:CAP 理论与一致性算法详解

CAP 理论核心概念

CAP 理论指出分布式系统最多只能同时满足一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分区容错性(Partition Tolerance)中的两项。

  • 一致性 (C):所有节点访问同一份最新数据。
  • 可用性 (A):非故障节点在合理时间内返回响应。
  • 分区容错性 (P):网络分区时系统仍能运作。

一致性算法实现(Paxos 简化版)

以下代码模拟 Paxos 算法的提案阶段,使用 Python 实现基础逻辑:

class PaxosNode: def __init__(self, node_id): self.node_id = node_id self.proposed_value = None self.accepted_value = None self.promised_proposal_id = 0 def prepare(self, proposal_id): if proposal_id > self.promised_proposal_id: self.promised_proposal_id = proposal_id return {"status": "promised", "accepted_value": self.accepted_value} return {"status": "rejected"} def accept(self, proposal_id, value): if proposal_id >= self.promised_proposal_id: self.accepted_value = value self.promised_proposal_id = proposal_id return {"status": "accepted"} return {"status": "rejected"} # 模拟三个节点的集群 nodes = [PaxosNode(i) for i in range(3)] # 提案阶段 proposal_id = 10 value = "data_v1" for node in nodes: response = node.prepare(proposal_id) print(f"Node {node.node_id} prepare response: {response}") # 接受阶段(仅半数以上节点响应时) if sum(1 for node in nodes if node.prepare(proposal_id)["status"] == "promised") > len(nodes)/2: for node in nodes: response = node.accept(proposal_id, value) print(f"Node {node.node_id} accept response: {response}")

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代码功能说明

  1. PaxosNode 类:模拟单个节点的提案(prepare)和接受(accept)逻辑。
  2. prepare 方法:节点承诺不接受比当前提案 ID 更小的请求。
  3. accept 方法:节点在提案 ID 有效时接受值并更新状态。
  4. 集群模拟:通过半数以上节点的承诺达成一致性。

输出示例

Node 0 prepare response: {'status': 'promised', 'accepted_value': None} Node 1 prepare response: {'status': 'promised', 'accepted_value': None} Node 2 prepare response: {'status': 'promised', 'accepted_value': None} Node 0 accept response: {'status': 'accepted'} Node 1 accept response: {'status': 'accepted'} Node 2 accept response: {'status': 'accepted'}

关键注意事项

  • 实际分布式系统需处理网络延迟、节点故障等复杂场景。
  • Paxos 变种(如 Raft)通过领导者选举简化实现。
  • CAP 权衡:选择 CP(如 ZooKeeper)或 AP(如 Cassandra)取决于业务需求。

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