MongoDB Change Stream初体验

Change Stream是MongoDB从3.6开始支持的新特性。这个新特性有哪些奇妙之处,会给我们带来什么便利?本次的文章将就这个主题进行初步讨论。

Change Stream是什么?

顾名思义,Change Stream即变更流,是MongoDB向应用发布数据变更的一种方式。即当数据库中有任何数据发生变化,应用端都可以得到通知。我们可以将其理解为在应用中执行的触发器。至于应用想得到什么数据,以什么形式得到数据,则可以通过聚合框架加以过滤和转换。这点将在后文中讨论。

Change Stream的原理

我们先来回顾一下MongoDB复制集大致是如何工作的:

  1. 应用通过驱动向数据库发起写入请求;
  2. 在同一个事务中,MongoDB完成oplog和集合的修改;
  3. oplog被其他从节点拉走;
  4. 从节点应用得到的oplog,同样在一个事务中完成对oplog和集合的修改;

至此,复制集同步完成。可以发现,整个同步过程是依赖于oplog来进行的。也就是说oplog实际上已经包含了我们需要的所有变更数据。如果观测oplog的变化,是否就能够得到所有变更的数据了呢?对,change stream正是基于这个原理实现的。但事情并没有这么简单!我们来看一下问题有可能出在什么地方。

如何从断点恢复

现实世界中,没有哪个应用是可以不间断运行的。不考虑bug导致的问题,正常的应用升级也会导致应用中断运行。那么在应用恢复的时候,从哪里开始继续获取变更呢?oplog当然是可以帮我们做到这点的,但你必须对MongoDB足够了解,才知道有oplogReplay这样的参数,以及其他一些问题。

如何有效地处理订阅

假设在一个应用中需要订阅10个不同集合的变更情况,是否需要开10个tailable cursor去获取oplog的变更呢?如果是100个集合呢?出于效率考虑显然不应该这么做。那么整个过程就会变成一个生产者-消费者模式,由一个线程负责从oplog获取变更,由订阅的线程负责消费这些变更。虽然实现也不是那么复杂,并且多半可以找到开源实现,但是涉及多线程就已经足够让初学者头疼一阵的了。
公平地说,上面这些还不算严重的问题,下面这些问题可能会更让人头疼。

如何管理权限

想要tail oplog,必须对local.oplog.rs有读权限。实际上这相当于对整个数据库都有了读权限,因为所有的变更都会在这里体现出来。DBA可能会阻止你这么做,因为这实在不是一个很安全的做法。

如何数据回滚

极端情况下,如果应用处理不当,MongoDB中可能发生数据回滚rollback的问题。如果仅仅通过跟踪oplog,则会出现已经通知出去的变更被回滚的情况。

幸运的是上面这些问题现在都不是问题了,因为change stream帮我们规避了这些复杂的细节。

使用方法

由于各种驱动都会有不同的语法和API,从shell中尝试使用change stream可能是最简便的方法。这并不妨碍你随后在各种驱动中的使用,因为shell中能实现的功能在驱动中一定有对应的语法。下面就以shell为例看看change stream应该如何使用。

打开一个shell,订阅你需要关注的集合
比如:

var cursor = db.bar.watch();

为了便于演示,我们在这个shell中不断遍历这个游标以获取新数据:

while(true) {
    if (cursor.hasNext()) {
        print(JSON.stringify(cursor.next()));
    }
}

打开另一个shell,向bar集合中插入一条数据:

db.bar.insert({y: 1})

此时第一个shell中会立即输出变更数据:

{"_id":{"_data":{"$binary":"glzquiIAAAACRmRfaWQAZFzquiK0lDNo+K0DpwBaEARUMrm0ruVACoftuxjt1RtCBA==","$type":"00"}},"operationType":"insert","fullDocument":{"_id":{"$oid":"5ceaba22b4943368f8ad03a7"},"y":1},"ns":{"db":"test","coll":"bar"},"documentKey":{"_id":{"$oid":"5ceaba22b4943368f8ad03a7"}}}

这里的一些字段的简单介绍。更完整的介绍请查阅文档change events

  • _id: 用于恢复断点时使用。即知道这个值,应用断开后下次重启里就可以从这个断点之后开始恢复获得变更;
  • operationType: 操作类型,常见的值包括:
    • insert
    • update
    • delete
  • ns: 正在操作的命名空间
  • fullDocument: 完整的文档

从断点恢复

var cursor = db.bar.watch([], {resumeAfter: <\_id>})

此时使用hasNext()/next()即可获取到随后的变更。

注意事项

{readConcern: ‘majority’}

为了避免被回滚的更新被发布出去,change stream选择只在一个变更到达大多数节点(不可能被回滚)时,才会将这些变更发布到应用。使用的方式即{readConcern: "majority"}。因此以下这些情况下change stream都是不会向应用通知任何变更的:

  • 禁用了readConcern
  • 从旧版本升级,但没有更新featureCompatibilityVersion
  • PSA架构中S宕机;

断点可恢复时间

因为change stream是依赖于oplog工作的,自然也会面临oplog面临的所有问题。问题之一就是oplog被覆盖。因此想要保证断点可以恢复,必须保证应用在oplog window的时间内请求断点。

删除集合

如果在订阅集合变更过程中集合被删除,则会收到一条invalid信息通知,表示集合已不再可用:

{
    "_id" : {
        "_data" : BinData(0,"glzqxCcAAAACFFoQBFQyubSu5UAKh+27GO3VG0IE")
    },
    "operationType" : "invalidate"
}

参考资料

  • Tailable cursor: https://docs.mongodb.com/manual/core/tailable-cursors/
  • 生产者-消费者模式: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%9F%E4%BA%A7%E8%80%85%E6%B6%88%E8%B4%B9%E8%80%85%E9%97%AE%E9%A2%98
  • 关于回滚: https://docs.mongodb.com/manual/core/replica-set-rollbacks/
  • 变更事件: https://docs.mongodb.com/manual/reference/change-events/
  • Change Stream介绍文档:https://docs.mongodb.com/manual/changeStreams/

作者简介

张耀星,MongoDB亚太区首席技术咨询服务顾问。在MongoDB的开发、应用和咨询服务上有多年实践经验。作为MongoDB认证专家,曾经为不同行业的各类大型客户提供过培训、性能调优、架构设计等各类MongoDB相关技术服务。

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