ACID 是軟件領(lǐng)域使用最廣泛的技術(shù)之一，它是關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基石，是企業(yè)級中間件不可或缺的部分，但通常通過黑盒的方式提供。但是在許多情況下，這種古老的事務(wù)方式已經(jīng)不能夠適應(yīng)現(xiàn)代大規(guī)模系統(tǒng)和NoSQL數(shù)據(jù)庫的需要了，現(xiàn)代系統(tǒng)要求更高的性能要求，更大的數(shù)據(jù)量，更高的可用性。在這種情況下，傳統(tǒng)的事務(wù)模型被定制的事務(wù)或者半事務(wù)模型所取代，而在這些模型中事務(wù)性并不像以往那樣被看重。

在本文中我們會討論一下key-value數(shù)據(jù)庫的無鎖事務(wù)操作，這種技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于任何一種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在GridDynamics中，我們就用這種技術(shù)在Oracle Coherence上實現(xiàn)了一個輕量級的非標(biāo)準(zhǔn)的事務(wù)機(jī)制。在***部分我們會通過幾個重要的用例來了解兩種簡單的方法，在第二部分我們會研究更多更通用的方法，比如說PostgreSQL的MVCC實現(xiàn)。

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原子性緩存切換，讀提交隔離

讓我們從一個簡單易于實現(xiàn)的方法開始，這個方法適用于讀遠(yuǎn)多于寫的系統(tǒng)。比如說電子商務(wù)系統(tǒng)中每天要進(jìn)行的數(shù)據(jù)更新，一些管理性操作例如無效貨品的修復(fù)以及緩存更新。

最簡單的例子是把所有數(shù)據(jù)都加載進(jìn)緩存里，然后通過一個代理接口來執(zhí)行諸如 get() 和 put() 這樣的操作。這個接口會與兩個緩存打交道，A和B，按照以下邏輯運行（圖 1）：

任何時候只能有一個緩存處于可用狀態(tài)，代理接口會把所有的請求路由給它（圖1.1）。

更新數(shù)據(jù)的時候把新數(shù)據(jù)加載到目前不可用的緩存中（圖1.2）。

更新進(jìn)程切換標(biāo)志哪個緩存可用的標(biāo)記（圖1.3），代理接口開始把新的讀請求分發(fā)到新標(biāo)記為可用的緩存。

緩存切換階段的事務(wù)可以依據(jù)不用的持久性和隔離性要求來分別處理。如果允許“不可重復(fù)讀” ，那么切換很簡單，老數(shù)據(jù)會被立刻清理掉。否則，代理接口會維護(hù)一個仍未結(jié)束的事務(wù)列表，并把屬于這個列表中的每一個請求都路由到原來的緩存中。只有當(dāng)列表中的所有事物都提交或者放棄之后老數(shù)據(jù)才會被清空。

Fig.1 Cache Switch

相同的技術(shù)也可用于部分更新。依據(jù)存儲方式的不同也有多種實現(xiàn)方法，我們來看一個有三個緩存簡單例子。這個例子中的框架遇上一個類似，但是代理接口按照以下邏輯運行（圖 2）：

用戶請求被路由到主緩存（"PRIMARY"緩存）（圖 2.1）

新增數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)加載進(jìn)2號緩存（“NEW”緩存），刪除項的key放入3號緩存（"DELETE"緩存）（圖2.2）

提交進(jìn)程（特指寫事務(wù)）切換全局標(biāo)示，這個標(biāo)示會告訴代理接口先去"NEW"和"DELETE"緩存去查找所請求的數(shù)據(jù)，如果在這兩個區(qū)域中沒有發(fā)現(xiàn)再去"PRIMARY"緩存查找（圖2.3）。換句話說，在這一步所有的請求都被改派到了更新過的數(shù)據(jù)中查找。

提交進(jìn)程將 NEW 和 DELETE 區(qū)域的變化傳遞給PRIMARY。也即在PRIMARY緩存區(qū)以非原子的方式更新、增加、刪除數(shù)據(jù)項（圖2.4）。

***，所有的提交進(jìn)程把全局標(biāo)識切換回來，所有的請求仍然路由到 PRIMARY 緩存區(qū)域（圖2.5）。

在第4步，可以把老數(shù)據(jù)拷貝到另一個緩存區(qū)，這樣就可以支持回滾操作。即使是全量更新也可以用這種方法。

Fig.2 Partial Cache Switch

從上面的兩個例子我們可以看出，專用于讀的數(shù)據(jù)快照避免了數(shù)據(jù)更新的干擾，大大降低了復(fù)雜性。在一個寫密集型的環(huán)境中就不容易做到這一點了。在下一節(jié)我們會討論一種非常好的方法可以***的解決這個問題。

MVCC 事務(wù)，可重復(fù)讀隔離

事物間的隔離可以通過給數(shù)據(jù)項加上版本號來實現(xiàn)。有許多方法能做到這一點，下面我們會介紹一種與PostgreSQL  的事務(wù)處理方法非常相似的辦法。

正如前面所說，每個事務(wù)可以對應(yīng)于一個部分?jǐn)?shù)據(jù)快照。在同一時間，每一個數(shù)據(jù)項都有他自己的生命周期 - 從加入緩存到移出緩存或者被更新（被新版本所取代）。所以可以通過給每條數(shù)據(jù)打兩個時間戳來實現(xiàn)隔離，每個事物通過開始時間（兩個時間戳之一，譯者注）來找出在事務(wù)開始時處于可見狀態(tài)的數(shù)據(jù)。但在實踐中常用一個單調(diào)遞增的計數(shù)來代替時間戳：

• 新事務(wù)開始的時候：

它會獲得一個全局唯一且單調(diào)遞增的事務(wù)ID ，也叫 XID。

進(jìn)程里保存著所有事務(wù)的XID.

• 緩存里的每個數(shù)據(jù)項有兩個額外標(biāo)記，xmin 和 xmax。按照以下規(guī)則賦值：

當(dāng)數(shù)據(jù)項被某個事務(wù)建立的時候， xmin 設(shè)置為該事務(wù)的XID ，xmax 無值。

當(dāng)數(shù)據(jù)被某個事務(wù)移除的時候，xmin 不變，xmax 設(shè)置為該事務(wù)的XID。數(shù)據(jù)并沒有真的從緩存中清除，只是被標(biāo)記為已刪除。

當(dāng)數(shù)據(jù)被某個事務(wù)更新的時候，老數(shù)據(jù)仍然保存在緩存里，xmax 被賦值為事務(wù)的XID，同時增加一條新的數(shù)據(jù)，新數(shù)據(jù)的 xmin 也賦值為XID 并且xmax 為空。換句話說更新操作等于一次刪除加一次增加。

• 如果以下兩個條件成立，那么數(shù)據(jù)對于某次事務(wù)是可見的：

xmin 有值并且小于或等于當(dāng)前事務(wù)ID。

xmax 為空，或者等于未提交事務(wù)（放棄的或者還未完成的）的XID ，或者大于當(dāng)前事務(wù)ID。

xmin 和 xmax 可以存儲兩個位標(biāo)記，表明事務(wù)是否放棄或者提交，這樣才能進(jìn)行上面的檢查（xmax 是否等于未提交事務(wù)的ID）。

邏輯如下圖所示：

Fig.3 PostgeSQL-like MVCC

這種方法的缺點是廢棄數(shù)據(jù)的移除有些繁瑣。因為不同事務(wù)看到的數(shù)據(jù)版本不同，決定何時將數(shù)據(jù)標(biāo)為不可見或者移除是比較復(fù)雜的。不過也有兩種以上的方法能夠做到，***種是PostgreSQL中使用的，第二種是Oracle使用的：

所有的版本都存儲在同一個key-value空間中，對版本數(shù)量沒有限制（也即可以儲存任意多的版本，譯者注）。由一個后臺進(jìn)程來回收老版本數(shù)據(jù)，這個回收可以按計劃調(diào)度執(zhí)行也可以再讀或者寫的時候觸發(fā)。

主key-value 空間只儲存***的版本，之前的版本儲存在另外的地方，且儲存老版本的空間大小是固定的。 ***的版本會指向之前的版本，但是卻不能夠由此上溯到之前的任意版本， 因為存儲老版本數(shù)據(jù)的區(qū)域大小是固定的， 太早的版本會被移除。如果某個事務(wù)不能夠找到指定版本的數(shù)據(jù)就會失敗。