五个解决方案让MongoDB拥有RDBMS的鲁棒性事务

【编者按】在分布式存储解决方案中谈事务一直是件很痛苦的事情，而事务也成了大部分NoSQL解决方案短板所在。近日，MongoDB公司的Antoine Girbal在其个人博客上撰文，分享了在MongoDB文档间实施鲁棒可扩展事务的5个解决方案——同步字段、作业队列、二阶段提交、Log Reconciliation和版本控制。

事务问题

数据库支持数据块间的事务是有原因的。典型的场景是应用需要修改几个独立的比特时，如果只有一些而不是全部改变存储到了数据库，那么这就会出现不一致问题。因此ACID的概念是：

• 原子性：所有的改变要么都做了，要么都没做
• 一致性：数据保持一致性状态
• 隔离性：其它用户看不到部分改变
• 持久性：一旦向用户确认了事务，数据就处于安全的状态（通常存在硬盘上）

引入NoSQL数据库后，文档间ACID事务的支持通常就取消了。许多键/值存储仍有ACID，但它只适用于单个条目，取消ACID的主要原因是其可扩展限制。如果文档横跨几个服务器，事务将会很难实施以及性能。假设事务横跨数十个服务器，一些数据库是远程的，一些是不可靠的，想象下这会变的多难，多慢！

在单个文档等级上，MongoDB支持ACID。更准确的说，默认情况下是“ACI”，打开“j”WriteConcern选项后是ACID。Mongo有丰富的查询语言，横跨多个文档，因此人们一直在寻找多文档事务来使用他们的SQL代码。一个常见的办法是利用文档的性质：不需要很多行、很多关系，你可以将所有的东西嵌入到一个大文档中，Denormalization将带你回归事务。

这个技术解决了从一对一关系到一对多关系的很多事务问题。这也可能使应用更简单，数据库更快，所以这是双赢。不过当数据库必须分离时，该怎么办？

减少ACID

其实大部分应用都可以归结为：

• 原子性：实际上你希望所有的改变都完成
• 一致性：系统短时间不一致没关系，只要最终一致就行
• 隔离性：缺乏隔离性导致暂时的不一致，这并不理想，但是当今线上服务时代，很多用户对此都习惯了（如用户支持：“它要花几秒传输”）。
• 持久性：很重要，要支持。

这样问题就简化为鲁棒性、可扩性、最终一致性。

解决方案 1：字段同步

这种解决方案的使用场景最简单，最常见：文档间有些字段需要保持“同步”。例如，你有一个用户名为“John”的用户文档，文档代表John发表过的评论。如果用户可以更换用户名，那么这个改变需要发送给所有文档，即使进程中有应用错误或数据库错误。

为了实现这一目标，一个简单的办法是在主文档（这个情况下主文档是用户文档）中使用一个新字段（如“syncing”）。给“syncing”设置一个日期时间戳，记录用户文档的更新。

db.user.update({ _id: userId }, { $set:{ syncing: currentTime }, { rest of updates ... } })

然后应用会修改所有的评论文档。结束后，需要移除标识：

db.user.update({ _id: userId }, {$unset: { syncing: 1 } })

现在假设进程中出现了问题：有些评论使用的是旧用户名。不过这些地方仍然会保留标识，所以应用知道哪些进程需要重新进行。因此，你需要后台进程在指定的时间（如1小时）检查“syncing”文件是否有未完成的地方。索引应设为“sparse”，这样只有实际设置的文档需要被索引，索引量就会比较小。

db.user.ensureIndex({ syncing: 1 }, { sparse: true })

因此，系统通常可以保持事情在短时间内同步，在系统故障的情况下，时间周期为一个小时。如果时间不重要，当探测到“syncing”标志时，应用可以轻易修复文档。

解决方案2：作业队列

以上原理良好工作的前提是应用不需要很多内容，只依赖于通用进程（如：复制一个值）。一些事务需要执行特定变化，这些变化稍后很难识别。例如，用户文档包括一个朋友列表：

{ _id: userId, friends: [ userId1,userId2, ... ]}

现在A和B决定成为朋友：你需要把B添加到A的列表，也需要把A添加到B的列表。如果两者没有同时发生也没有关系（只要没有引发困扰）。针对这种情况和大多数事务问题的解决方案是使用作业队列，作业队列也存储在MongoDB。一个作业文档就像这样：

{ _id: jobId, ts: timeStamp, state: "TODO", type: "ADD_FRIEND", details: { users: [ userA, userB ]} }

或者是原始线程可以插入作业转发改变，或者是“worker”线程可以捡起工作。worker使用findAndModify()获取最原始的未加工的工作，findAndModify()是完全原子性的。操作中findAndModify()将工作标注为将被处理，同时也会表明worker name、当前时间以便于追踪。{ state: 1, ts: 1 } 上的索引使这些调用很迅速。

db.job.findAndModify({ query: { state: "TODO" }, sort: { ts: 1 }, update: { $set: { state: "PROCESSING", worker: { name: "worker1", ts: startTime } } } })

之后worker以一种幂等的方式对双方用户文档进行修改，这些改变能应用很多次，并且有同样的效果——这很重要！为了这个目的，我们只需要使用一个$addToSet。一种更通用的替代方式是在查询端添加一个测试，检测修改是否执行了。

db.user.update({ _id: userA }, {$addToSet: { friends: userB } })

最后一步是删除作业或标注作业完成。再保留一段时间作业是一种安全的方式，唯一的缺点是随着时间的流逝，先前的索引会变得越来越大，尽管你可以在指定域{ undone: 1 } 上使用稀疏索引，并且根据实际情况修改查询。

db.job.update({ _id: jobId }, { $set: { state: "DONE" } })

如果进程在某一时刻故障了，作业仍然会在队列中，并标注为处理中。后台进程停止一段时间后会将作业标注为需要再次处理，然后作业会重新从头开始。

解决方案3 ：二阶段提交

二阶段提交是一个众所周知的解决方案，很多分布式系统都采用了这种解决方案。MongoDB简化了这种解决方案的实施，因为灵活的框架，我们可以将所有需要执行的数据全都放入文档中。我几年前就写过关于这种方法的文章，你可以去MongoDB Cookbook中查阅《 执行二阶段提交》（Perform Two Phase Commits）或者到MonoBD Manual中查阅《 执行二阶段提交》（Perform Two Phase Commits）。

解决方案4： Log Reconciliation

很多财务系统常用的解决方案是 log reconciliation。这种解决方案将事务写作简单的日志，这避免了复杂性和潜在的故障。然后从上次良好状态以来所有的变化推测当前账户的状态。在极端情况下，你可以清空账户，然后通过实施从第一天以来所有的变化重建账户……这听起来很恐怖，但是可行。账户文件需要一个“缓存”来提高速度，还需要一个seqId，seqId计算如下：

{ _id: accountId, cache: { balance:10000, seqId: 115 } }

执行事务时，一个典型的财务系统会给事务写一个条目，会给与事务有关的账户写一个“账户变化”条目。这个方法需要进一步的写保证，“作业队列”解决方案可以实现写保证，事务中所有的作业在所有账户更改写入前都会保持不变。不过有了MongoDB，我们可以写一个包括事务和账户更改的文档。这个文档应该嵌入tx集合，如下：

{ _id: ObjectId, ts: timestamp , proc: "UNCOMMITTED", state: "VALID", changes: [ { account: 1234, type: "withdraw", value: -100, seqId: 801, cachedBal: null }, { account: 2345, type: "deposit", value: 100, seqId: 203, cachedBal: null } ] }

几个重点：

• 步骤：事务从“UNCOMMITTED” 状态开始，变为“COMMITTED”，此时涉及这些账户的所有先前事务也会变为 “COMMITTED” ，这表明这个事务也可以用作“anchor”来进行平衡计算。
• 状态：状态可能是 “VALID”、“CANCELLED等。如果不是VALID，即使是“COMMITTED”，平衡计算也会忽略事务。
• seqId：这是账户的独有的seqId，这个seqId给账户更改一个确定的顺序。
• cachedBal：账户的缓存平衡。如果事务时“COMMITTED”状态，那么缓存平衡（如果设置了）是一个有效值。
• 注意我们在 { changes.account: 1, changes.seqId: 1 }上使用一个独特的索引。reconciliation需要这个索引来提速，一个账户也不会有seqId副本。

关键是确保即使事务没有按顺序发生，缓存平衡也可以安全的计算/取消，还有就是事务状态可能改变。因此我们每个账户使用一个seqId，这确保了账户更改按确定的顺序发生，可以避免复杂的锁。在写事务前，应用首先通过简单地查询推断每个账户的下一个sqlId：

db.tx.find({ "changes.account": 1234 }, { "changes.$.seqId": 1 }).sort({ "changes.seqId": -1 }).limit(1)

然后每个sqlId都本地增长，然后写作事务的一部分。如果另一个线程也可能同时包括同样的seqId，独特的索引会确保写失败，线程会进行重试直到顺利完成任务。另一种方法是在账户集中保存一个当前seqId，然后用 findAndModify()获得下一个seqId，这通常会比较慢，除非你对账户有很多争用。注意如果因为某种原因事务没有写时，seqId可能会被跳过去，不过只有没有副本情况下才会成为。

下面我们谈谈reconciliation的基础。后台进程确保所有未提交的事务都会继续进行。只有所有账户的低seqId的事务都提交后一个事务才会被标注为提交。事务被标记为提交后就会变成不可变的。下面来谈谈好的方面：获得账户平衡。首先我们获得好的平衡，我们可以通过索引进行查询：

db.tx.find({ "changes.account": 1234, proc: "COMMITTED" }, { "changes.$": 1 }).sort({ "changes.seqId": -1 }).limit(1)

我们通过较大seqId的事务获得所有将发生的更改：

db.tx.find({ "changes.account": 1234, "changes.seqId": { $gt: lastGoodSeqId } }, { "changes.$": 1 }).sort({ "changes.seqId": 1 })

我们可以使用这些解决展示即将发生的损耗。如果我们只想简单的了解将来的平衡点在哪，我们可以让MongoDB收集所有变更展示总数：

db.tx.aggregate([{ $match: { "changes.account": 1234, "changes.seqId": { $gt: lastGoodSeqId }, state: "VALID" }}, 
{ $unwind: "changes" }, 
{ $match: { "account": 1234 }}, 
{ $group: { _id: "total", total: { $sum: "$value" } }}])

为了确保系统快速、计算量小，后台工作者要确保所有的事务都达到提交状态，平衡得到缓存。理想情况下一个事务是不可逆的，取而代之的是提交一个逆向事务来实施事务。不过只要所有的进一步事务状态和缓存都是正确设置的，取消是可行的。

解决方案5：版本控制

有时变得很复杂，以至于不能再JSON中表示，这些变更可能涉及很多有着复杂关系的文件（如树结构）。如果仅是部分变化（如破坏树）将会很混乱，这种情况下我们需要隔离。获取隔离性的一种方式是插入有着高版本号的新文档，取代对现有文档的更新。可以通过同日志和解同样的技术很容易、很安全的获得新版本号。通常{ itemId: 1, version: 1}上有一个独特的索引。

嵌入文档的应用从子文档开始，到主文档结束（如根节点）。当获取数据时，应用检查主文档的版本号，忽略高于版本号高于此版本号的文档。未完成的事务可以保持原状，可以忽略，可以清楚。

总结

综上所述，我们提供了在文档间实施鲁棒可扩展事物的五种解决方案：

• 同步标志：最适用于仅从主文档复制数据的情况
• 作业队列：比较通用，适用于95%的情况，大部分系统至少需要一个作业队列
• 二阶段提交：这种技术确保每个实体都有为保持一致性状态所需的所有信息
• Log Reconciliation：最鲁棒的技术，最适用于财务系统
• 版本控制：提供了隔离性，适用于复杂的结构

此外，我们还提到了很多次MongoDB最终将支持真正的原子性和文档间的隔离事务。这已经作为分区的一部分了，但目前还只是内部的……只有文档在同一分区时这一特性才可能实现，否则我们将回到不可扩展的SQL世界。