MongoDB实现---事务机制

事务机制

原子性是MongoDB实现事务的难点，隔离性和持久性则是MongoDB事务机制的亮点

• ACID支持：由于前面说过MongoDB是基于大数据、提供高度可扩展和高可用；所以其事务机制不仅仅是一般ACID还是结合了BASE理论下的ACID
  • 原子性：保证单文档单命令的原子性，在4.0 版本之后，MongoDB 开始支持多文档的事务，针对多文档的事务操作，MongoDB 提供 “All or nothing” 的原子语义保证。
  • 一致性：
    • 在分布式BASE理论下，一致性支持是最终一致性，所以就会影响到读数据的隔离性
  • 隔离性：
    • MongoDB通过四个隔离级别的读策略和读依赖以及MVCC实现分层次的隔离性；
  • 持久性：
    • MongoDB通过确认机制维持持久性（就是写关注）和高性能的权衡，MongoDB支持类似MySQL不丢失的持久性、也支持大概率不丢失或者不考虑丢失的持久性；

原子性

原子性实现

• 参考MySQL，单机原子性毫无疑问依赖于锁机制、回滚日志

  • MongoDB没有回滚日志，但是其实有内存实现了回滚日志功能的、记录update和 insert的链表
  • MongoDB同样使用多粒度封锁协议，最小的粒度是文档（相当于行锁）

• 单文档事务原子性：

  • 单文档事务实现是通过文档加锁+index、oplog、文档数据写入原子性实现的；
  • 单文档事务原子性是MongoDB存储引擎层实现的（这一点类似redis实现事务原子性）；
  • 单文档事务原子性本质只支持单命令原子性；

• 分布式事务（多文档事务）原子性：多文档事务原子性则将**事务的控制交给了应用层，**涉及到很多问题

  • MongoDB默认就是有分布式支持（数据分片），所以需要支持分布式事务
  • 事务副本集需要oplog同步，而多文档事务使用的oplog资源不能占据超过限制（否则副本集将没法增量更新）
  • oplog的全局顺序性和WT实现的事务id没有关联：则导致MongoDB集群看到的事务提交顺序与 WiredTiger 看到的事务提交顺序不一致。
  • 多文档事务占据的资源（特别是锁），将可能严重影响性能（由于事务周期长导致长期占用不释放）

多文档原子性

Session和全局时序

Session

• 为了实现多文档事务，MongoDB首先提出了session的概念；Session即事务的上下文
  • Session保证了会话中事务id递增、事务内操作id递增即保存操作id；
  • Session保证因果一致性、会话一致性；
  • Session记录了读写关注；
  • Session记录了读依赖；

全局时序

• MongoDB通过事务时间戳（transaction timestamp）机制实现全局时序；Server的oplog和WT引擎通过全局时序保证双方事务一致（事务提交和事务回滚）；

实现

• Read as of a timestamp：换句话说就是内存的undo log，即保证：
  • 事务未提交时本事务可见、其他事务根据隔离级别可见；
  • 未提交时，本事务的数据不影响其他事务数据；
  • **由于是内存的undo log，所以如果保留的版本太多，也会对 WT cache 产生很大的压力。**所以MongoDB允许自动更新 oldest timestamp，以删除不必要的版本；
• 回滚：考虑到副本集，在MongoDB的回滚机制中，副本集不是通过server层操作oplog进行回滚，而是通过存储引擎进行回滚；（或许这也是不需要undo log的原因之一）
  • 本机不仅仅是回滚本事务，而是直接回滚到一个检查点；
  • 副本集同样回滚到该检查点，这样所有数据就快速回滚到一致性状态；
  • 这个检查点依赖于 stable timestamp。WiredTiger 会确保 stable timestamp 之后的数据不会写到 Checkpoint里，MongoDB 根据复制集的同步状态，**当数据已经同步到大多数节点时（Majority commited），会更新 stable timestamp，因为这些数据已经提交到大多数节点了，一定不会发生 ROLLBACK，**这个时间戳之前的数据就都可以写到 Checkpoint 里了。这要求必须尽快提交stable timestamp以避免oplog过大，内存保存大量版本数据；

持久性

写关注点

• 写关注点包括：写确认机制（ACK机制：从节点确认、落盘确认）、超时等待

  • {writeConcern : { w: <value>, j: <boolean>, wtimeout: <number> }}
    # w：已传播到指定数量的mongod实例或具有指定标记的mongod实例
    # j：设为1表示确认写入操作的请求已经写入磁盘日志(on-disk journal)，也就是下一次Journal log提交。
    # wtimeout选项：指定时间限制，以防止写操作无限期阻塞。
    

• 4.4后副**本集和分片集群支持设置全局默认的write concern。**没有显示指定写关注的操作将继承全局默认的设置；

• 允许多粒度的写关注点

• 实现过程

  • 写请求首先到达主节点
  • 主节点向从节点同步数据
  • 从节点根据落盘确认机制确定发回ACK的时机
  • 主节点：
    • 超时发回失败，进行回滚
    • 收到足够数量的ACK发回成功

隔离性

读关注点

读关注定义了四个隔离级别的读策略

• local/available: 语义基本一致，都是读操作直接读取本地最新的数据，但不保证该数据已被写入大多数复制集成员。
  • available：无法用于因果关系是一致的会话和事务。
  • local：可用于具有或不具有因果一致的会话和事务。
• majority：读取 majority committed 的数据，可以保证读取的数据不会被回滚，但是并不能保证读到本地最新的数据。受限于不同节点的复制进度，可能会读取到更旧的值。
  • 副本集必须使用WiredTiger存储引擎
  • 多文档事务中的操作，仅**当事务以写策略“majority”提交时，读策略"majority"才能得以保证 。**否则，读策略"majority"不能保证事务中读取的数据。
• linearizable：读取 majority committed 的数据，但会等待在读之前所有的 majority committed 确认。它承诺线性一致性，要求读写顺序和操作真实发生的时间完全一致，既保证能读取到最新的数据，也保证读到数据不会被回滚。
  • 仅为主节点上的读操作指定读策略"linearizable”。
  • 无法用于因果关系是一致的会话和事务。
  • 只对读取单个文档时有效；
• snapshot：所有的读都将使用同一个快照，直到事务提交为止该快照才被释放，可以避免脏读、不可重复读和幻读；
  • 仅可用于多文档事务。
  • 分片群集上的事务，如果事务中的任何操作涉及已禁用读策略“majority”的分片，则不能对事务使用读策略"snapshot"。

https://blog.csdn.net/zxwjx/article/details/106069585

读依赖readPreference（读策略）

使用

• 多文档事务： “snapshot”，"local"和 “majority”

• 单文档事务：除了snapshot；

• db.collection.find().readConcern(<level>)
  

  

一致性

• journal log