技术干货| MongoDB 事务原理

MongoDB 作为领先的 NoSQL ，为了支撑更多的需求场景，也在不断完善其功能。从早期支持大吞吐量读/写操作的 MMAPv1 存储引擎，到引入支持高并发操作的 WiredTiger 存储引擎，以及对事务功能的持续演进，MongoDB 不仅保留了最初的架构优势，同时又汲取了其他数据库的优点。

MongoDB 从 3.0版本引入 WiredTiger 存储引擎之后开始支持事务，MongoDB 3.6之前的版本只能支持单文档的事务，从 MongoDB 4.0版本开始支持复制集部署模式下的事务，从 MongoDB 4.2版本开始支持分片集群中的事务。

本文就主要对 MongoDB 事务的基本原理、事务的 snapshot 隔离、实现事务间并发操作的 MVCC 并发控制机制，以及事务日志做一些介绍！

与关系型数据库一样，MongoDB 事务同样具有 ACID 特性，说明如下：

在不同隔离级别下，一个事务的生命周期内，可能出现脏读、不可重复读、幻读等现象。

下面介绍这3种现象出现的场景与含义。

1. 脏读现象

例如，某款手机在数据库中的库存还有1部，客户 A 发起一个查询手机库存的事务，同时，客户 B 发起了一个购买手机的事务（但未提交事务），此时客户 A 读到手机库存为0部，认为售完了。但客户 B 突然不想购买这款手机了，于是回滚了此事务，手机库存又变为1部，客户 A 读到的手机库存为0部就是一个脏读数据，如下图所示。

2. 不可重复读现象

例如，某款手机在数据库中的库存还有1部，客户 A 发起一个查询手机库存的事务（事务还未完成），读到其值为1。同时，客户 B 发起了一个购买手机的事务（提交了事务），此时客户 A 再次查询手机库存，读到其值为0。客户 A 在同一个事务中读到的同一条记录的取值不一样，这种现象就是不可重复读，如下图所示。

3. 幻读现象

例如，某款手机在数据库中的库存还有1部，客户 A 发起一个购买手机的事务（事务还未完成），读到其值为1。同时，管理员 B 发起了一个增加1部手机的事务（提交了事务），此时客户 A 再次查询手机库存，读到其值为1（有新增数据）。客户 A 在同一个事务中本来应该读到的库存值为0，认为手机已经售完，但发现库存中还有1部手机，客户 A 两次读到的数据集不一样，这种现象就是幻读，如下图所示。

下面介绍与事务相关的数据结构，如下图所示。

其中，

（1）id 字段：这是事务的全局唯一标识，通过分析它与具体的操作关联，就能够知道一个事务包含哪些操作。

（2）snapshot_data 字段：MongoDB 使用的是快照隔离级别的事务，这个字段用于保存事务的快照信息，具体来说它会有 snap_min和snap_max 两个属性，通过这两个属性能够计算一个事务开始时的数据范围，每个事务开始时都会构造一个这样的快照。

（3）commit_timestamp 字段：表示事务提交的时间。

（4）durable_timestamp 字段：表示事务修改的数据已持久化的时间，与具体操作中的 durable_ts 字段关联。

（5）prepare_timestamp 字段：表示事务开始准备的时间。

（6）WT_TXN_OP 字段：包含事务的修改操作，用于事务回滚和生成事务日志（ Journal ）。

（7）logrec 字段：表示事务日志的缓存，用于在内存中保存事务日志（对于 MongoDB 来说 Journal 日志就是事务日志）。

WiredTiger 存储引擎支持 read-uncommitted 、read-committed 和 snapshot3 种事务隔离级别，MongoDB 启动时默认选择 snapshot 隔离。

事务开始时，系统会创建一个快照，从已提交的事务中获取行版本数据，如果行版本数据标识的事务尚未提交，则从更早的事务中获取已提交的行版本数据作为其事务开始时的值。

通过事务可以看到其他还未提交的事务修改的行版本数据，但不会看到事务 id 大于 snap_max 的事务修改的数据。

快照数据的获取流程如下图所示。

假设图中的5个事务对同一条记录进行操作，E 事务开始时，生成的快照数据包含 B、D 两个未完成的事务，同时获取离它最近且完成了的 C 事务修改后的值作为事务开始时的取值，即2。

如果 E 事务为写事务，对库存值进行修改，则会进行冲突检测，以防止对过期数据的修改，保证数据的一致性（如 D 事务在 E 事务提交之前完成，行版本已发生变化，若 E 事务还要进行修改，则提交时会产生冲突）。

通过一段代码加深对快照隔离级别事务的认识：

session1 = client.start_session()  //开启一个session
session1.start_transaction()   //在session内部，开启一个事务
inventory.insert_one({'_id': 4, 'model':'switch', 'count': 200}, session= session)
doc1 = inventory.find_one({'_id': 4}, session=session1)
pprint.pprint(doc1)
doc2 = inventory.find_one({'_id': 4})
pprint.pprint(doc2)
session1.commit_transaction()  //提交事务
doc3 = inventory.find_one({'_id': 4})
pprint.pprint(doc3)
session1.end_session()    //结束session

任何事务都是封装在一个 session 中进行的。

要实现事务之间的并发操作，可以使用锁机制或 MVCC 控制等。对于 WiredTiger 来说，使用 MVCC 控制来实现并发操作，相较于其他锁机制的并发，MVCC 实现的是一种乐观并发机制。

MVCC 并发控制机制如下图所示：

（1）A 事务首先从表中读取要修改的行数据，读取的库存值为100，行记录的版本号为1。

（2）B 事务也从中读取要修改的相同行数据，读取的库存值为100，行记录的版本号为1。

（3）A 事务修改库存值后提交，同时行记录版本号加1，变为2，大于 A 事物一开始读取行记录版本号1，A 事务可以提交。

（4）但 B 事务提交时发现此时行记录版本号已经变为2，产生冲突，B 事务提交失败。

（5）B 事务尝试重新提交，此时再次读取的版本号为2，加1后版本号变为3，不会产生冲突，正常提交 B 事务。

通过代码分析事务的并发与冲突。

session1 = client.start_session() //开启一个session1
session1.start_transaction()  //在session1中开启一个事务1
inventory.delete_one({'_id':4}, session=session1)
doc1 = inventory.find_one({'_id': 4},session=session1)
pprint.pprint(doc1)     //输出none，说明在事务中已经删除

session2 = client.start_session() //开启一个session2
session2.start_transaction()  //在session2中开启一个事务2
inventory.delete_one({'_id':4}, session=session2) //执行产生事务冲突

session1.abort_transaction()      //终止事务1
session1.end_session()        //结束session1
session2.abort_transaction()      //终止事务2
session2.end_session()        //结束session2

doc2 = inventory.find_one({'_id': 4}) //隐式开启第3个session和事务
pprint.pprint(doc2)    //在事务外可以找到，说明事务1被终止后回滚了

Journal 是一种 WAL（ Write Ahead Log ）事务日志，目的是实现事务提交层面的数据持久化。

Journal 持久化的对象不是修改的数据，而是修改的动作，以日志形式先保存到事务日志缓存中，再根据相应的配置按一定的周期，将缓存中的日志数据写入日志文件中。

事务日志落盘的规则如下。

（1）按时间周期落盘。

在默认情况下，以50毫秒为周期，将内存中的事务日志同步到磁盘中的日志文件。

（2）提交写操作时强制同步落盘。

当设置写操作的写关注为 j:true 时，强制将此写操作的事务日志同步到磁盘中的日志文件。

（3）事务日志文件的大小达到100MB。

关于作者：郭远威

MongoDB 中文社区长沙分会主席；资深大数据架构师，著有《大数据存储 MongoDB 实战指南》《 MongoDB 核心原理与实践》；通信行业业务架构与数据迁移专家，先后在华为，中兴工作十余年；曾负责实施了海外多个运营商的大数据迁移及 BI 等大数据系统的设计开发。

以上内容节选自《 MongoDB 核心原理与实践》一书，详情可点击链接查看：

https://mp.weixin.qq.com/s/lWFvBkZ74smSjR7k7IN7wg