《设计数据密集型应用》第七章(2) 事务：概念深入

这一节，我们继续深入到事务的概念中，分析事务的ACID原则能够避免哪些出错的情况。在实际场景中，有一些事务的需要修改多行记录的，我们称之为多对象操作，另外一些是只修改一行记录的，称之为单对象操作。

多对象的事务

假设一个场景，我们有一个邮件的收件箱，能够同时显示未读邮件，以及未读邮件的总数，总数可以通过以下的sql计算得到：

SELECT COUNT(*) FROM emails WHERE recipient_id = 2 AND unread_flag = true

因此这是一个需要修改数据库的多行记录才能完成的操作。

隔离性

在没有引入隔离性（Isolation）之前，用户2可能看到这样的操作数据：收件箱列表中存在一封未读邮件，但是未读邮件数为0。这种情况对应的数据库操作的过程如下图所示：

违背了隔离性

这种情况称之为Dirty Read，也就是一个事务读到了另一个事务还未commit的写操作。如果保证了事务的隔离性，则不会出现这种情况。

原子性

如果在写入的过程中出现错误，收件箱的内容和未读邮件数可能会不同步。如果是以事务方式提交，由于满足原子性，未读邮件数的更新失败时，事务会中止，并且以及插入的邮件也会回滚。

原子性避免了不一致的状态

对于多对象提交来说，需要一种方式判断属于同一事务的读写操作。在关系型数据库中，客户端通常以TCP的方式连接到服务器端，在BEGIN TRANSACTION和COMMIT之间的语句将被认为属于同一个事务。而在非关系型数据库中，并没有将操作组合的方法。即使有一些比如批量更新的API，也不一定保证操作是事务的。

单对象的事务

如果仅修改数据库中的一行数据，仍然存在原子性和隔离性的问题。考虑以下的问题，我们正在写入一个20K的json文档：

如果网络在发送前10K数据后中断，数据库是否需要保存未解析的10K json片段？
如果数据库正在覆盖历史数据时，电源中断，如何处理新数据和旧数据同时存在的情况？
如果另外一个客户端读取正在进行写入的数据，它会看到部分更新的结果吗？

为了解决以上的问题，数据库需要对单对象操作支持原子性和隔离性。原子性可以通过日志文件实现崩溃时的恢复（例如B-Trees），隔离性可以通过对修改的对象加锁来实现，任何时刻只允许一个线程修改一个对象。

一些数据库提供了更复杂的原子操作，比如increment，不需要进行read-modify-write的循环，而是通过比如compare-and-set的操作，在数据库中的值不被修改时才会执行写操作。

多对象的事务需求

在很多分布式数据库中，他们放弃了支持多对象的事务，理由是跨分区的实现很困难，并且可以得到更好的可用性和性能。那么，多对象的事务是否可以不需要呢？

在有一些场景中，我们可以把多对象的操作，通过Key-value的数据模型，和单对象的操作来完成。但是仍然有一些场景，是必须要协调多对象数据的：

在关系型数据库中，数据表中的一行可能是其他表中一行数据的外键。多对象的事务能保证当插入新记录时，外键也是最新正确的。
在文档型数据库中，需要更新的字段都在同一文档中，可以当做是单对象的操作。但是，文档型数据库引入了反范式化的概念，修改一个字段可能需要修改多个文档，这就需要多对象的事务。
对于有二级索引的数据库，从事务的角度来看，二级索引是不同的数据库对象，因此也是多对象的操作。

处理错误和中断

一些应用程序可以在没有事务的情况下工作，但缺少原子性会使得处理错误和中断会更加复杂，缺少隔离性会引起同步的问题。

事务的一个关键特性就是允许在发生错误时，可以安全的进行中断和重试。满足ACID的数据库会遵循以下的规则：宁可丢弃掉整个事务，也不会允许它只完成一半。

并不是所有的系统都遵循这一原则。比如对于数据副本架构采用leaderless模型的数据库，遵循的是尽可能完成最多的操作。因此在遇到错误时，不会撤销之前已经完成的操作，应用程序需要自行从该错误中恢复数据。

错误是一定会发生的，但有一些系统只会考虑乐观情况，在事务执行出错时不会进行重试，这可能会导致用户得到错误的数据。但如果在事务中断后，立即进行重试，也并不是最好的解决方案，可能会导致以下的问题：

如果事务执行成功，但由于网络问题，服务器端未通知客户端commit的消息，客户端将会重复发送这个事务，导致数据可能重复。
如果出错是由于负载过高，重新发送会使得情况更糟。想解决这个问题，可以限制重试次数、增大重试间隔，或者单独处理由负载引起的错误。
重试仅对一些临时性的错误有效，比如死锁、违背隔离性、偶尔的网络错误或者failover，但对于一些永久的错误是无效的。
如果事务是有负效应的，即使中断了该事务，负效应仍然发生，因此可以此阿勇类似两阶段提交的方式避免，后面的章节会介绍。
如果客户端进程在重试时失败，它想尝试写入的数据将会丢失。

小结

这两节介绍了关于事务的概念，包括ACID，多对象和单对象下的事务等。目前介绍的都是最严格的事务的概念，后面会介绍比事务更宽松的一些概念和实现。