多版本并发控制(MVCC)在分布式系统中的应用

问题

最近项目中遇到了一个分布式系统的并发控制问题。该问题可以抽象为：某分布式系统由一个数据中心D和若干业务处理中心L1，L2 … Ln组成；D本质上是一个key-value存储，它对外提供基于HTTP协议的CRUD操作接口。L的业务逻辑可以抽象为下面3个步骤：

1. read: 根据keySet {k1, … kn}从D获取keyValueSet {k1:v1, … kn:vn}
2. do: 根据keyValueSet进行业务处理，得到需要更新的数据集keyValueSet’ {k1′:v1′, … km’:vm’} (注：读取的keySet和更新的keySet’可能不同)
3. update: 把keyValueSet’更新到D （注：D保证在一次调用更新多个key的原子性）

在没有事务支持的情况下，多个L进行并发处理可能会导致数据一致性问题。比如，考虑L1和L2的如下执行顺序：

1. L1从D读取key:123对应的值100
2. L2从D读取key:123对应的100
3. L1将key:123更新为100 + 1
4. L2将key:123更新为100 + 2

如果L1和L2串行执行，key:123对应的值将为103，但上面并发执行中L1的执行效果完全被L2所覆盖，实际key:123所对应的值变成了102。

解决方案1：基于锁的事务

为了让L的处理具有可串行化特性(Serializability)，一种最直接的解决方案就是考虑为D加上基于锁的简单事务。让L在进行业务处理前先锁定D，完成以后释放锁。另外，为了防止持有锁的L由于某种原因长时间未提交事务，D还需要具有超时机制，当L尝试提交一个已超时的事务时会得到一个错误响应。

本方案的优点是实现简单，缺点是锁定了整个数据集，粒度太大；时间上包含了L的整个处理时间，跨度太长。虽然我们可以考虑把锁定粒度降低到数据项级别，按key进行锁定，但这又会带来其他的问题。由于更新的keySet’可能是事先不确定的，所以可能无法在开始事务时锁定所有的key；如果分阶段来锁定需要的key，又可能出现死锁(Deadlock)问题。另外，按key锁定在有锁争用的情况下并不能解决锁定时间太长的问题。所以，按key锁定仍然存在重要的不足之处。

解决方案2：多版本并发控制

为了实现可串行化，同时避免锁机制存在的各种问题，我们可以采用基于多版本并发控制（Multiversion concurrency control，MVCC）思想的无锁事务机制。人们一般把基于锁的并发控制机制称成为悲观机制，而把MVCC机制称为乐观机制。这是因为锁机制是一种预防性的，读会阻塞写，写也会阻塞读，当锁定粒度较大，时间较长时并发性能就不会太好；而MVCC是一种后验性的，读不阻塞写，写也不阻塞读，等到提交的时候才检验是否有冲突，由于没有锁，所以读写不会相互阻塞，从而大大提升了并发性能。我们可以借用源代码版本控制来理解MVCC，每个人都可以自由地阅读和修改本地的代码，相互之间不会阻塞，只在提交的时候版本控制器会检查冲突，并提示merge。目前，Oracle、PostgreSQL和MySQL都已支持基于MVCC的并发机制，但具体实现各有不同。

MVCC的一种简单实现是基于CAS（Compare-and-swap）思想的有条件更新（Conditional Update）。普通的update参数只包含了一个keyValueSet’，Conditional Update在此基础上加上了一组更新条件conditionSet { … data[keyx]=valuex, … }，即只有在D满足更新条件的情况下才将数据更新为keyValueSet’；否则，返回错误信息。这样，L就形成了如下图所示的Try/Conditional Update/(Try again)的处理模式：

虽然对单个L来讲不能保证每次都成功更新，但从整个系统来看，总是有任务能够顺利进行。这种方案利用Conditional Update避免了大粒度和长时间的锁定，当各个业务之间资源争用不大的情况下，并发性能很好。不过，由于Conditional Update需要更多的参数，如果condition中value的长度很长，那么每次网络传送的数据量就会比较大，从而导致性能下降。特别是当需要更新的keyValueSet’很小，而condition很大时，就显得非常不经济。

为了避免condition太大所带来的性能问题，可以为每条数据项增加一个int型的版本号字段，由D维护该版本号，每次数据有更新就增加版本号；L在进行Conditional Update时，通过版本号取代具体的值。

另一个问题是上面的解决方案假设了D是可以支持Conditional Update的；那么，如果D是一个不支持Conditional Update的第三方的key-value存储怎么办呢？这时，我们可以在L和D之间增加一个P作为代理，所有的CRUD操作都必须经过P，让P来进行条件检查，而实际的数据操作放在D。这种方式实现了条件检查和数据操作的分离，但同时降低了性能，需要在P中增加cache，提升性能。由于P是D的唯一客户端；所以，P的cache管理是非常简单的，不必像多客户端情形担心缓存的失效。不过，实际上，据我所知redis和Amazon SimpleDB都已经有了Conditional Update的支持。

悲观锁和MVCC对比

上面介绍了悲观锁和MVCC的基本原理，但是对于它们分别适用于什么场合，不同的场合下两种机制优劣具体表现在什么地方还不是很清楚。这里我就对一些典型的应用场景进行简单的分析。需要注意的是下面的分析不针对分布式，悲观锁和MVCC两种机制在分布式系统、单数据库系统、甚至到内存变量各个层次都存在。

### 场景1：对读的响应速度要求高

有一类系统更新特别频繁，并且对读的响应速度要求很高，如股票交易系统。在悲观锁机制下，写会阻塞读，那么当有写操作时，读操作的响应速度就会受到影响；而MVCC不存在读写锁，读操作是不受任何阻塞的，所以读的响应速度会更快更稳定。

### 场景2：读远多于写

对于许多系统来讲，读操作的比例往往远大于写操作，特别是某些海量并发读的系统。在悲观锁机制下，当有写操作占用锁，就会有大量的读操作被阻塞，影响并发性能；而MVCC可以保持比较高且稳定的读并发能力。

### 场景3：写操作冲突频繁

如果系统中写操作的比例很高，且冲突频繁，这时就需要仔细评估。假设两个有冲突的业务L1和L2，它们在单独执行是分别耗时t1，t2。在悲观锁机制下，它们的总时间大约等于串行执行的时间：

T = t1 + t2

而在MVCC下，假设L1在L2之前更新，L2需要retry一次，它们的总时间大约等于L2执行两次的时间（这里假设L2的两次执行耗时相等，更好的情况是，如果第1次能缓存下部分有效结果，第二次执行L2耗时是可能减小的）：

T’ = 2 * t2

这时关键是要评估retry的代价，如果retry的代价很低，比如，对某个计数器递增，又或者第二次执行可以比第一次快很多，这时采用MVCC机制就比较适合。反之，如果retry的代价很大，比如，报表统计运算需要算几小时甚至一天那就应该采用锁机制避免retry。

从上面的分析，我们可以简单的得出这样的结论：对读的响应速度和并发性要求比较高的场景适合MVCC；而retry代价越大的场景越适合悲观锁机制。

总结

本文介绍了一种基于多版本并发控制（MVCC）思想的Conditional Update解决分布式系统并发控制问题的方法。和基于悲观锁的方法相比，该方法避免了大粒度和长时间的锁定，能更好地适应对读的响应速度和并发性要求高的场景。