MongoDB NoSQL Transaction ACID

MongoDB 4.0搶先看 - 副本集支持多文檔事務

莊興旺 2018/04/18 09:17:05

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MongoDB 4.0搶先看 - 副本集支持多文檔事務

簡介	NoSQL資料庫大多不提供事務機制，原因在於它們是分散式系統架構，其一系列寫操作存取的資料，可能位於不同的分區伺服器。因此，分散式的多文檔事務，其原子性需要很高的協調性。內文將重點介紹 MonogDB 的事務之路 (Path to Transactions)。
作者	莊興旺

MongoDB 4.0搶先看 - 副本集支持多文檔事務

前言

MongoDB 為聚集導向的NoSQL

MongoDB 讓用戶透過靈活的資料結構，設計 "聚集" 後的資料，提供AP想要處理資料的最小單位（Document），適合分散式資料庫儲存。

圖. Relation to Document

NoSQL設計，很難滿足事務特性。

資料庫系統在做 "事務 transaction" 操作時，需具備ACID的4個特性：

1. 原子性（Atomicity）：要麼全部被執行，要麼都不執行

2. 一致性（Consistency）：資料應滿足完整性約束

3. 隔離性（Isolation）：事務併發時不互相影響

4. 持久性（Durability）：提交後的事務將被永久保存

我們常聽到，NoSQL犧牲強一致性，使其能在分散式架構，水平擴展換取高可用性。但是，資料分散在多節點，很難保證多聚集事務的原子性，故通常NoSQL初始設計就不支持多聚集的事務功能。

通常來說，聚集導向的資料庫在跨多重聚集時並沒有 ACID事務。但是，每一次在單一聚集上的操作則是支援原子性質。這代表，若我們想要在單一動作中操作多重的聚集，必須要自行在應用程式碼中管理。 （參考 "搞懂NoSQL的15堂課"）

但是，MongoDB身為NoSQL的領頭羊，其設計理念為 Nexus 架構（集結RDB和NoSQL優點），自身又定位為通用型資料庫，仍不放棄實現NoSQL事務功能。因此，MongoDB開發團隊正逐步實現多文檔事務所需的基礎建設，等到功能完善，將讓開發者得以處理更多應用場景。（例. 金流系統、進銷存系統、帳單系統）

註. 文檔是聚集的一種表現方式

多文檔事務

釋出時間

MongoDB, Inc.預計在2018年夏天釋出4.0，將支持多文檔事務，4.0事務的系統架構只限於副本集（Replica Sets），而分片叢集（Sharded Cluster）的事務，預計要等到4.2。

圖. Java - Transaction Semantics （pseudo）

開發歷程/事務之路

MongoDB為了事務的資料完整性，於2014/12/16宣布併購WiredTiger Inc.，引進其儲存引擎技術，作為事務的基礎建設。

圖. Roadmap to Transactions

l MongoDB 3.0 具備文件級（Document Level）的並行控制以及壓縮功能，還提供MVCC（Multiversion Concurrency Control）這種像是PostgreSQL關聯式資料庫，確保事務功能的儲存層基礎功能。

l MongoDB 3.2 新增

1. Replication protocolVersion: 1 增強型共識協定，能讓主要副本集（Primary Replica Set）成員的網路分區（Network Partition）快速的從故障中恢復，並更嚴謹的確保寫入的持久性（Durability）。

2. readConcern選項（讀取多少副本後回應），允許應用程序在每個操作的基礎上，指定讀取隔離級別，從而提供強大的粒度一致性控制。

l MongoDB 3.6 引入

1. 全局邏輯時鐘 （Global logical clock/ Cluster Wide Logical Time）協助建立分散式叢集的全局資料快照，以實現多文檔事務快照隔離。通過快照隔離（Snapshot isolation），事務將提供全局一致性資料視圖，並執行 all-or-nothing來維持資料完整性（Data integrity）。此功能在分佈式集群中的每項操作中使用一致的時間，讓多文檔事務能夠提供快照隔離保證。

2. 儲存層時間戳 （WiredTiger timestamps）強化分散式儲存層的操作順序之正確性。

上述兩者，支撐起3.6大量新功能的實現：

Ø Consistent secondary reads in sharded cluster（Safe Secondary Read）即使系統正在叢集間搬遷資料做平衡，也會對 Secondary 成員提供一致的讀取。

Ø Logical sessions 是Causal consistency和 Retryable writes的基礎，從多文檔事務的角度來看，它們的價值在於協調分散式叢集客戶端和伺服器操作，管理事務中每個語句執行的上下文。

Ø Retryable writes 允許 MongoDB drivers在網路異常或選舉Primary期間，自動重新執行一次事務（原子性操作）。簡化應用程序的開發工作。

Ø Causal consistency 允許開發人員在“讀取自己的寫入”保有強一致性，是根據Logical sessions和全局邏輯時鐘的啟用。確保寫入節點的資料，傳播到讀取節點上。

Ø Change streams 允許開發人員構建響應式應用程序，當資料庫資料變動時，實時查看、過濾和觸發。Global logical clock和WiredTiger timestamps為Change streams提供了可恢復性（resumability） -從短暫故障節點中自動恢復。因此消費類應用程序可以從發生節點故障的時間點，繼續完成更改。