阿里沈询：分布式事务原理与实践
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事務簡介
事務的核心是鎖和并發，采用同步控制的方式保證并發的情況下性能盡可能高，且容易理解。這種方式的優勢是方便理解；它的劣勢是性能比較低。
計算機可以簡單的理解為一個標準的打字機，盡管看起來計算機可以并行處理很多事情，但實際上每個CPU單位時間內只能做一件事，要么讀取數據、要么計算數據、要么寫入數據，所有的任務都可以看成這三件事的集合。計算機的這種特性引出了一個問題：當多個人去讀、算、寫操作時，如果不加訪問控制，系統勢必會產生沖突。而事務相當于在讀、算、寫操作之外增加了同步的模塊，進而保證只有一個線程進入事務當中，而其他線程不會進入。
單個事務單元
事務的四大特性分別是：原子型、一致性、隔離性和持久性。其中原子性指的是事務中包含的所有操作要么全做，要么全不做；一致性是指在事務開始以前，數據庫處于一致性的狀態，事務結束后，數據庫也必須處于一致性的狀態；隔離性要求系統必須保證事務不受其他并發執行的事務的影響；持久性是指一個事務一旦成功完成，它對數據庫的改變必須是永久的，即使是在系統遇到故障的情況下也不會丟失，數據的重要性決定了事務的持久性的重要。
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事務單元是通過Begin-Traction，然后Commit（Begin-Traction、Commit和Rollback之間所有針對數據的寫入、讀取的操作都應該添加同步訪問），Begin和Commit之間就是一個同步的事務單元。例如，Bob給Smith 100塊錢就是一個事務單元，這個過程中有很多步操作，具體如上圖所示；但對業務來說，僅是一個轉賬的操作。
一組事務單元
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當三個賬戶都在進行轉賬操作時，每個操作都涉及Smith賬戶，所有的事務都會排隊，形成一組事務單元。
事務單元之間的Happen-Before關系中的四種可能性：讀寫、寫讀、讀讀、寫寫。所有事務之間的關系都可以抽象成這四種之一，來對應現在所有的業務邏輯處理。在此基礎之上，需要用最快的速度處理多個事務單元之間的關系，同時還能保障這四種操作的邏輯順序。
單個事務單元的其他例子
除了轉賬操作是事務單元外，諸如商品要建立一個基于GMT_Modified的索引、從數據庫中讀取一行記錄、向數據庫中寫入一行記錄，同時更新這行記錄的所有索引、刪除整張表等都是一個事務單元。
事務單元的實現方式
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Two Phase Lock（2PL）是數據庫中非常重要的一個概念。數據庫操作Insert、Update、Delete都是先讀再寫的操作，例如Insert操作是先讀取數據，讀取之后判讀數據是否存在，如果不存在，則寫入該數據，如果數據存在，則返回錯誤。假設在該場景下沒有讀操作，只是單純寫入數據，則數據本身并沒有事務操作，Delete、Update操作與之類似。數據庫利用這些操作的特性，在每一次查詢過程中，只要查到數據，就會在該數據上加鎖。理論上，所有被讀取的數據都已加鎖，不會再被其他人讀到，也就是說對數據進行的中間操作狀態對所有人都不可見，當所有中間狀態完成后，提交操作時，解開鎖，此時數據對所有系統可見，例如在轉賬過程中，所有人只能看到兩種狀態：開始時，A有錢，B沒錢；結束時，B有錢，A沒錢，而中間A減掉錢，B尚未加上錢的狀態被鎖隱藏掉了，這個操作就是數據庫中處理事務的最標準的方式。如上圖所示：事務中的Trx2（JoeLock）與其他事務不相關，因此可以并行執行；Trx1需要Lock兩個數據Boblock和Smithlock，而Trx3同樣需要Lock這兩個數據，因此Trx3必須等待，且等待在Boblock上；Joe事務會先結束，Trx3會等到Trx1完成后才會開始。
處理事務的常見方法
處理事務的常見方法有排隊法、排他鎖、讀寫鎖、MVCC等方式，下面來一一解析。
排隊法
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事務處理中最重要也是最簡單的方案是排隊法，單線程地處理一堆數據。在Redis中，如果數據全部在內存中，則單線程處理所有Put、Get操作效率最高。這是因為多線程本質是CPU模擬多個線程，這種模擬是以上下文切換為代價，而對于內存的數據庫來說，沒有上下文切換時效率最高。因此，單個CPU綁定一塊內存的數據，針對這塊數據做多次讀寫操作時都是在單個CPU上完成的，單線程處理方式在內存的情況是效率是最優的。
那么什么時候事務需要用到多線程呢？這個問題的本質取決于下層所使用的存儲，如果是內存操作，則可以動態地申請和銷毀內存塊；而磁盤的IOPS很低，但吞吐量很高。如果一個場景涉及多次讀寫操作，單線程可以很高的效率對于內存進行讀寫操作；但是，由于磁盤的IOPS僅為內存的幾千分之一，如果依舊用操作內存的方式操作磁盤，那系統的整體性能將會很低，這意味著必須將大量的讀寫操作聚合成一個Batch后再提交時才能達到較好的性能。而將大量請求攢到一起的方式一是異步，也就是請求本身和線程不綁定，線程可以不Block（本質來說還是一種多線程的方式），處理完一個線程后再處理其他線程。這種做法的核心是將大量不同的請求提交到一個Buffer中，再由該Buffer統一讀取或者寫入磁盤，從而提高效率。在慢速設備中，多線程或異步非常常見，在設計系統時，面對磁盤、網絡、SSD等慢速設備必須考慮使用多線程。
排他鎖
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有些場景不適合用單線程操作，可以利用排他鎖的方式來快速隔離并發讀寫事務。數據庫中有一些事務單元是共享的，如圖中的事務單元1是共享的，事務單元2/3共享數據；針對事務單元2/3共享數據的所有讀寫Block住，事務單元1單獨用一個鎖來控制，用這種方式完成系統的訪問控制。
讀寫鎖
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如果是一個只讀的事務，例如只對數據進行查詢操作，在該過程中數據一定不被修改，因此多個查詢操作可以并行執行，因此一種針對讀讀場景的優化自然而然產生——讀寫鎖。讀寫鎖的核心是在多次讀的操作中，同時允許多個讀者來訪問共享資源，提高并發性。
MVCC
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在最初的數據庫事務實現中是不存在MVCC的，它是Oracle在八十年代新加的功能，本質是Copy On Write，也就是每次寫都是以重新開始一個新的版本的方式寫入數據，因此，數據庫中也就包含了之前的所有版本。在數據讀的過程中，先申請一個版本號，如果該版本號小于正在寫入的版本號，則數據一定可以查詢到，無需等到新版本完全寫完即可返回查詢結果。這種方式可以在讀讀不阻塞的前提下，實現讀寫/寫讀不阻塞，盡可能保證所有的讀操作并行，而寫操作串行。
事務的調優原則
事務的調優的思路是在不影響業務應用的前提下：
第一，盡可能減少鎖的覆蓋范圍，例如Myisam表鎖到Innodb的行鎖就是一個減少鎖覆蓋范圍的過程；對于原位鎖（排他鎖、讀寫鎖等）可變為MVCC多版本（本質仍然是減少鎖的范圍）。
第二，增加鎖上可并行的線程數，例如讀鎖和寫鎖的分離，允許并行讀取數據。
第三，選擇正確鎖類型，其中悲觀鎖適合并發爭搶比較嚴重的場景；樂觀鎖適合并發爭搶不太嚴重的場景。
下期分享預告：
從單機事務到分布式事務：分布式事務的目標是有完整的事務支持，可以按需像單機事務一樣的操作方式；可以按需無線擴展。但這僅僅是夢，因為容易理解的模型往往性能都不好，性能好的模型往往都不容易理解。具體內容敬請期待。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的阿里沈询：分布式事务原理与实践的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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