事務

事務的棘手性

ACID

單物件和多物件操作

• 單物件寫入

  • 對單節點上的單個物件（例如鍵值對）上提供原子性和隔離性

    • 原子性通過日誌做崩潰恢復
    • 隔離性通過加鎖實現

• 多物件事務

  • 關係型資料庫更新帶有外來鍵的表
  • 文件型資料同時更新多份文件
  • 二級索引與資料的同時更新

• 處理錯誤和中止

  • 對於已經提交的事務，如果在給客戶端返回結果的網路中斷，如果此時重試事務，則需要去重機制
  • 如果是由網路擁塞導致的重試，則需要限制重試次數
  • 非必要問題不用重試，如違反約束不需要重試
  • 兩階段提交

弱隔離級別

相比可序列化的強隔離性之外都算做弱隔離級別

讀已提交

• 髒寫

  • 同時寫入後面的寫入覆蓋前一個
  • 解決方法：加行鎖

• 髒讀

  • 讀到未提交的資料

  • 解決方法

    • 與解決髒寫的方法一樣，加行鎖，但如果寫事務資料時間過長，讀請求會有較大的時間延遲

    • 儲存資料的舊值，在事務未提交時讀到舊值，事務提交後讀到新值

      • 如果讀取事務的時間範圍內出現了寫事務的提交，則讀事務中相同的兩次或多次讀取事件所讀到的資料可能會不同

快照隔離和可重複讀

• 支援資料庫：PostgreSQL oracle MySQL(innodb) SQL Server

• 實現快照隔離

  • 對於PostgreSQL，按如下方法實現MVCC

    • 基於txid事務ID實現，每個事務開始時均有一個唯一的TXID，約40億次後溢位
    • 表中每一行資料都有created_by與deleted_by欄位，分別儲存寫入時的txid
    • 刪除時標記deleted_by，不實際刪除，在稍候的時間，當確定沒有事務再訪問已標記刪除的行時，垃圾回收器將該行移除，釋放空間
    • 對於UPDATE操作實際執行了兩步操作：DELETE INSERT

  • 拓展(非本書內容)：MYSQL5.6 MVCC實現

    • 僅存在於讀已提交與可重複讀兩種隔離級別，特別地，對於可重複讀，使用了MVCC+行鎖實現，讀時不加鎖，寫時加鎖

    • 在MYSQL中如果事務更改了某行，則會針對該行生成UNDOLOG（記錄了該行之前的記錄內容），在發生回滾時，將UNDOLOG該行的記錄恢復

      • 行鎖 間隙鎖

        • MYSQL：基於事務ID，比如undolog中存了v7這條回滾資料，而現在最小的活躍事務ID是v8，那v7這條資料就不可能再被讀到，就可以刪除了。

• 觀察一致性快照的可見性規則

  • 列出所有尚且未提交或尚未終止的事務列表，即使這些事務後來提交了，忽略這些寫入
  • 具有較晚事務ID的都將被忽略

• 索引和快照隔離

  • PostgreSQL:同一物件的不同版本可以放入同一個頁面中，PostgreSQL的優化可以避免更新索引
  • CouchDB，Datomic和LMDB:為修改頁面建立一個索引副本，從父級到根進行級聯指向更新指向新版本

• 可重複讀與命名混淆

防止丟失更新

• 定義

  • 併發寫入衝突(丟失)問題(併發的資料庫讀值–更改資料–寫回資料操作)

• 解決方法

  • 原子寫

    • 如UPDATE XX SET a=a+1

      • 實現方案

        • 在物件上加排它鎖
        • 強制原子操作在單一的執行緒上執行

  • 顯式鎖定

    • 在查詢範圍上加排它鎖

  • 自動檢測丟失更新

    • PostgreSQL的可重複讀，Oracle的可序列化和SQL Server的快照隔離級別，都會自動檢測到丟失更新，並中止惹麻煩的事務。但是，MySQL/InnoDB的可重複讀並不會檢測丟失更新

  • Compare and Set

  • 衝突解決和複製

    • 允許寫入多個衝突值，並在應用層進行合併

  • 寫入偏差與幻讀

    • 場景

      • 一個SELECT查詢找出符合條件的行，並檢查是否符合一些要求。
      • 按照第一個查詢的結果，應用程式碼決定是否繼續。
      • 如果應用決定繼續操作，就執行寫入（插入、更新或刪除），並提交事務。
      • 如兩個人同時搶購1件商品，二人都先查到還要一件庫存，在應用程式當中，二者均向資料庫發出減庫存的寫入請求，此時會出現庫存異常

    • 快照隔離解決了讀事務中出現的幻讀情況，但會出現寫入偏差

可序列化

背景：

• 很難檢查程式碼在特定隔離級別下是否安全
• 併發測試困難

真的序列執行

• 單執行緒執行併發事務

• 產生背景

  • RAM足夠便宜，可將事務需要的活躍的資料集放在RAM當中，而不是之前放在磁碟上，執行效率提高了
  • OLTP事務通常執行速度很快，只進行少量的讀寫操作

• 例項：VoltDB/H-Store，Redis和Datomic

• 在儲存過程中封裝事務

• 儲存過程的優缺點

• 分割槽

  • 對於可以把資料劃分為多個分割槽，並且每個事務只在一個分割槽上進行，即可實現事務隨分割槽數量增加而線性擴充套件。對於跨分割槽的事務，則不能通過增加機器提升效能

二階段鎖定

• 相比較快照隔離，二階段鎖定基於讀不阻塞寫，寫阻塞讀的方案，解決了寫入偏差與丟失更新

• 實現2PL

  • 分為共享鎖與排它鎖

    • 多個事務可同時持有共享鎖
    • 有一個寫入事件則升級共享鎖為排它鎖，該鎖阻塞其它讀取與寫入，直到事務完成
    • 效能相比較弱隔離級別差得多

• 謂詞鎖

  • 為了防止範圍查詢出現幻讀的情況，需要一種範圍鎖（非指定物件，比如表中某一行的鎖），需要實現以下兩點

    • 排它阻塞讀–任一讀取事務必須等到持有排它鎖的事務結束後才可進行讀取操作
    • 任意一種鎖（排它與共享）阻塞排它鎖

• 索引範圍鎖（間隙鎖）

  • 謂詞鎖由於效能不佳（鎖粒度過小，檢查鎖匹配非常耗時），多數資料庫實現了索引範圍鎖

    • 如房間預訂請求，查詢條件為某時間段與房間號，如果表分別在時間段和房間號建立了索引，則索引範圍鎖會將其中一個索引（時間段或房間號）上附加共享鎖，如果其它事務的寫入操作需要修改該索引，則它會等到上述共享鎖釋放

可序列化快照隔離

• 在快照隔離的基礎上，SSI添加了一種演算法來檢測寫入之間的序列化衝突，並確定要中止哪些事務。(樂觀鎖)

  • 如果出現了大併發寫入事務爭搶同一寫入物件，會導致一大部分寫入事務需要終止，如果系統已經接近最大吞吐，則重試事務可能會導致效能變差

• 快照隔離會出現寫入偏差，檢測方法有兩種

  • 檢測對舊MVCC物件版本的讀取

    • 在提交事務時檢測是否有任何被忽略的寫入現在已經被提交，如果有則終止事務並重試；如果其它提交的事務只包含查詢，由於其不會產生寫入偏差，則不中止事務

  • 檢測影響先前讀取的寫入

    • 藉助索引，如果事務中的UPDATE語句的WHERE條件列有索引，則事務提交時記錄下該修改值，在其它事務也基於該WHERE條件進行更新時，則通知該事務所讀取的資料已經不是最新的

• 效能

  • 在SSI中，一個事務不需要阻塞等待另一個事務所持有的鎖，與兩階段鎖定相比，其查詢延遲可預測更好；與序列執行相比，其效能不侷限於單個CPU核的吞吐量