CockroachDB是如何實現分布式原子事務的？

作為一個分布式數據庫， CockroachDB 有一個鮮明的特性，就是支持 ACID事務 。近日， Cockroach Labs 團隊成員Matt Tracy 撰文 介紹了CockroachDB如何在不使用鎖的情況下實現原子事務。

CockroachDB的原子事務策略總共包含如下五個基本步驟。

1.“開關（Switch）”：CockroachDB事務記錄

在開始一個事務之前，寫進程首先會創建一個包含如下字段的 事務記錄 ：

• 事務唯一標識UUID
• 事務當前狀態，可以有三種取值，其中PENDING為初始狀態，ABORTED或COMMITTED為終止狀態
• 一個Cockroach K/V鍵，指定“開關”在分布式數據存儲中的位置

寫進程會使用一個專門的CockroachDB命令 BeginTransaction() 存儲事務記錄。事務記錄或者開關不能并行訪問，只能嚴格按照順序進行讀/寫操作。事務記錄的PENDING或ABORTED狀態對應開關的“off”狀態，COMMITTED對應“on”。

2.“暫存（Stage）”：Write Intent

寫進程會準備好多個數據庫變更，但并不會覆蓋任何現有值。為了 暫存 一個事務中的變更，CockroachDB使用了一個名為 Write Intent 的結構。任何時候，一個值作為一個事務的一部分寫入到一個鍵，它都會生成一個Write Intent。Write Intent結構中還包含指示事務記錄存儲位置的鍵。

另外，還有一個規則，就是任何鍵都有且僅有一個Write Intent（Matt在此并未考慮事務并發）。

3.“過濾（Filter）”：讀取Write Intent

對于任何有暫存值的鍵，在讀取時都必須檢查事務開關的狀態。如果開關狀態為“off”，則返回該鍵的原值；如果開關狀態為“on”，則返回暫存值。也就是說，如果一個鍵有暫存值，那么對該鍵的所有讀取操作都必須使用開關狀態過濾，具體步驟如下：

1. 如果現有Write Intent對應的事務記錄仍然處于PENDING狀態，則將其置為ABORTED狀態。
2. “清除（cleanup）”現有的Write Intent。
3. 返回該鍵的普通值（即不是Write Intent）。如果之前的事務已經COMMITTED，那么清除操作會將暫存值升級為普通值；否者，返回該鍵的原值。

4.“按開關（Flip）”：提交事務

當寫進程準備好事務中的所有變更后，它會打開開關（即將事務記錄更新成COMMITTED，開關狀態置為“on”）。事務生成的所有Write Intent都會立即生效；之后發生的任何讀取操作在看到事務已經提交后都會返回Write Intent中的暫存值。

另外，將事務記錄的狀態置為ABORTED可以終止事務，之后發生的讀取操作將忽略這個事務生成的Write Intent。

5.“解除暫存（Unstage）”：清除Write Intent

前面4個步驟已經可以提供原子事務；但是，第2步開銷很大，因此，在事務完成后，CockroachDB會盡快清除暫存值。如果事務成功，那么暫存值會取代原值；如果失敗，那么暫存值會被丟棄。總之，如果一個鍵沒有Write Intent，那么讀取操作就無需過濾，也就可以以適當的分布式方式完成。需要注意的是，解除暫存是異步的，并不需要在事務COMMITTED之前完成。

網友RJ Ryan對Matt所謂的“無鎖（lockless）”提出了質疑。他認為，開關和Write Intent看起來跟鎖類似。對此，Matt答復說：

Matt指出，如果讀者對CockroachDB的完整事務模型感興趣，可以查看 GitHub上的詳細設計文檔 。 Tobias Schottdorf 也是CockroachDB項目的貢獻者。他在回復網友的評論時指出，雖然CockroachDB的原子事務策略與使用MS-DTC的SQL Server分布式事務處理一樣都是2PC，但它們并不相同。XA有準備和提交兩個階段，提交階段實際上要做大量的工作。但在Cockroach中，“準備”階段就將值寫到了它們最終應該存在的位置，所以“提交”階段只需要對單個鍵執行一次寫操作，幾乎不做什么工作。

另外，在介紹完CockroachDB的原子事務策略后，Matt還特別介紹了CockroachDB的清除操作，感興趣的讀者可以 進一步閱讀 。