CockroachDB是如何实现分布式原子事务的？

数据库 分布式 ACID Cockroach

摘要

作为一个分布式数据库，CockroachDB有一个鲜明的特性，就是支持ACID事务。近日，Cockroach Labs团队成员Matt Tracy撰文介绍了CockroachDB如何在不使用锁的情况下实现原子事务。CockroachDB的原子事务策略总共包含五个基本步骤：“开关（Switch）”、“暂存（Stage）”、“过滤（Filter）”、“按开关（Flip）”、“解除暂存（Unstage）”。

正文

作为一个分布式数据库，CockroachDB有一个鲜明的特性，就是支持ACID事务。近日，Cockroach Labs团队成员Matt Tracy撰文介绍了CockroachDB如何在不使用锁的情况下实现原子事务。

CockroachDB的原子事务策略总共包含如下五个基本步骤。

1.“开关（Switch）”：CockroachDB事务记录

在开始一个事务之前，写进程首先会创建一个包含如下字段的事务记录：

• 事务唯一标识UUID
• 事务当前状态，可以有三种取值，其中PENDING为初始状态，ABORTED或COMMITTED为终止状态
• 一个Cockroach K/V键，指定“开关”在分布式数据存储中的位置

写进程会使用一个专门的CockroachDB命令BeginTransaction()存储事务记录。事务记录或者开关不能并行访问，只能严格按照顺序进行读/写操作。事务记录的PENDING或ABORTED状态对应开关的“off”状态，COMMITTED对应“on”。

2.“暂存（Stage）”：Write Intent

写进程会准备好多个数据库变更，但并不会覆盖任何现有值。为了暂存一个事务中的变更，CockroachDB使用了一个名为Write Intent的结构。任何时候，一个值作为一个事务的一部分写入到一个键，它都会生成一个Write Intent。Write Intent结构中还包含指示事务记录存储位置的键。

另外，还有一个规则，就是任何键都有且仅有一个Write Intent（Matt在此并未考虑事务并发）。

3.“过滤（Filter）”：读取Write Intent

对于任何有暂存值的键，在读取时都必须检查事务开关的状态。如果开关状态为“off”，则返回该键的原值；如果开关状态为“on”，则返回暂存值。也就是说，如果一个键有暂存值，那么对该键的所有读取操作都必须使用开关状态过滤，具体步骤如下：

1. 如果现有Write Intent对应的事务记录仍然处于PENDING状态，则将其置为ABORTED状态。
2. “清除（cleanup）”现有的Write Intent。
3. 返回该键的普通值（即不是Write Intent）。如果之前的事务已经COMMITTED，那么清除操作会将暂存值升级为普通值；否者，返回该键的原值。

4.“按开关（Flip）”：提交事务

当写进程准备好事务中的所有变更后，它会打开开关（即将事务记录更新成COMMITTED，开关状态置为“on”）。事务生成的所有Write Intent都会立即生效；之后发生的任何读取操作在看到事务已经提交后都会返回Write Intent中的暂存值。

另外，将事务记录的状态置为ABORTED可以终止事务，之后发生的读取操作将忽略这个事务生成的Write Intent。

5.“解除暂存（Unstage）”：清除Write Intent

前面4个步骤已经可以提供原子事务；但是，第2步开销很大，因此，在事务完成后，CockroachDB会尽快清除暂存值。如果事务成功，那么暂存值会取代原值；如果失败，那么暂存值会被丢弃。总之，如果一个键没有Write Intent，那么读取操作就无需过滤，也就可以以适当的分布式方式完成。需要注意的是，解除暂存是异步的，并不需要在事务COMMITTED之前完成。

网友RJ Ryan对Matt所谓的“无锁（lockless）”提出了质疑。他认为，开关和Write Intent看起来跟锁类似。对此，Matt答复说：

这篇博文谈到“锁”时，是指数据库记录锁，一个修改数据库某个部分的独占性许可。

开关（或事务记录）并不是一个数据库锁，因为它没有阻止其它数据库操作进行……对开关本身的操作会按顺序进行……但它不会阻止任何操作执行。

Write Intent也不是数据库锁，因为它不会保证键的独占性访问；相反，它允许一个事务“发现”其它正在访问相同键的并发事务。当这种情况出现时，其中一个事务必须终止；不过，它并没有像锁一样采用“先来先服务”的策略，而是为每个事务赋予一个数值型的优先级，优先级最高的事务总是会胜出。

Matt指出，如果读者对CockroachDB的完整事务模型感兴趣，可以查看GitHub上的详细设计文档。Tobias Schottdorf也是CockroachDB项目的贡献者。他在回复网友的评论时指出，虽然CockroachDB的原子事务策略与使用MS-DTC的SQL Server分布式事务处理一样都是2PC，但它们并不相同。XA有准备和提交两个阶段，提交阶段实际上要做大量的工作。但在Cockroach中，“准备”阶段就将值写到了它们最终应该存在的位置，所以“提交”阶段只需要对单个键执行一次写操作，几乎不做什么工作。

另外，在介绍完CockroachDB的原子事务策略后，Matt还特别介绍了CockroachDB的清除操作，感兴趣的读者可以进一步阅读。