佳实践| SequoiaDB巨杉数据库跨引擎事务

2022-03-24 00:00:00 数据 数据库 事务 隔离 级别

01 前言

在佳实践系列第六篇中，我们利用多副本，实现了OLTP、OLAP的负载隔离。那么，单就OLTP系统而言，能否实现跨引擎事务功能呢？比如我们有2套应用系统，一套基于MySQL开发，一套基于PosgreSQL开发，两个应用系统能否灵活地实现数据互相访问，并且实现事务隔离？

在以往，这是不可能完成的。如果非要这样做，则需要将其中一套数据库，进行异构数据迁移，应用程序要做改造（SQL语句、存储过程等）。为了改造后达到兼容，还伴有大量的功能测试、性能测试，这样庞大的工作量，往往令人望而却步，转而走向业务的重新开发。

如果现在有这样一种技术，能让你在一个数据库里实现2种SQL引擎的访问，更为不可思议的是，不同的SQL引擎还可以实现事务，并支持4种事务隔离级别，你会相信么？

是的，您没有听错，巨杉数据库SequoiaDB的跨引擎事务特性，将这个需求的实现变成了可能。本文将进行讲解，便于您充分了解该技术特性，进而把它运用到适合的业务场景中，如微服务改造等。

02 背景

目前，市面上主流的数据库，基本上都支持事务功能，网上也有很多技术资料，介绍数据库的事务功能及原理。

跨引擎事务则是一种新兴的技术概念。在这种技术下，同一个数据库，可以被不同的SQL引擎（如MySQL、PostgreSQL）访问，并且提供多种隔离级别、并发控制机制，实现事务的ACID。

目前，随着微服务架构的火热，各个应用系统都运行在相对独立的微服务中。这些服务是围绕业务功能构建的，因此，在软件开发阶段，软件厂商更倾向于采用自己惯用的SQL引擎。长此以往，就出现了多种数据库形态，如MySQL、PostgreSQL等，这导致不同的业务系统之间，不能够灵活的互相访问和数据共享。

巨杉数据库SequoiaDB，是一款多引擎数据库，提供一个统一的存储引擎作为底座，上层提供多种SQL引擎，如MySQL、PostgreSQL等，对数据进行访问。同时，为了支持更复杂的业务场景，提供了多种事务隔离级别。

结合巨杉数据库的高并发、在线弹性伸缩、海量数据存储等优势，可以很好地解决微服务架构下的数据碎片化、性能瓶颈和弹性扩张等问题。

03 SequoiaDB巨杉数据库跨引擎事务

3.1 并发事务的数据读取

在对数据库系统进行并发访问时，可能会出现几种情况：

1、 脏读

某事务，读取到了脏数据（正在被其它事务操作，但未提交的数据）。换句话说，数据查询结果，受到其他事务对数据的操作所影响，比如增、删、改等，尽管这些操作尚未提交。试想，一旦这些操作回滚，意味着读取到了数据。

例：情人节，小王的给他爱人转账520元（未提交），以表心意。小王老婆打开了账上银行APP，发现收到了520元的转账，喜笑颜开。但是，不料，小王提交转账订单时，网络中断，交易异常终止，转账操作被后台回滚，导致小王老婆空欢喜一场。在真实的业务场景中，在转账事务确认完成前，其他事务不应当感知到未提交的数据操作带来的影响，否则就会读取到数据，像本例中小王爱人收到的转账，就是数据。

为了避免这种情况，就需要读已提交隔离级别（Read-Committed）。

2、 不可重复读

一个事务中，对于相同的数据集，多次读取但得到的结果不一致（事务内，同一行数据多次查询不一致，因为被更新）。例：情人节，小王打算给老婆转520元，以表心意。他打开掌上银行APP，查询余额，发现账上还有1000元，因此发起转账，但操作时，APP却提醒他，余额不足，卡上只有400元。小王纳闷了，明明刚才还显示1000元，怎么余额不足了呢？打开账单明细发现，原来，不巧就在刚刚查询后到发起转账的短短的几秒钟，自动扣除了600元的自动还款，因时余额已经不足够完成此次的转账。

这就是一个不可重复读的例子。为了避免这种情况，就需要可重复读隔离级别（Read-Repeatable）。

3、 幻读

同一个事务中，多次查询返回的结果集数目不一致。例如：事务A新增了一条记录，事务B在事务A提交前、后读到的结果可能不一致，提交后多查到一条，就好像“幻象”一样，多出来一条记录。幻读是由其他事务插入（或删除）导致的。因为新增数据无法加行锁，所以无法通过MVCC或者锁表来解决幻读。

需要强调一下，不可重复度和幻读，描述有些相似，都是指在同一个事务中，对多次查询可能得不到一致的结果。区别是：不可重复读，主要是针对数据更新，幻读主要是针对数据结果集的变化，如增加、删除等。

3.2 事务隔离级别

在实际的业务系统中，不同的业务，对于事务并发访问的要求不同。为了达到其业务目的，避免上述的一种或多种问题，通常的做法，就是设置事务隔离级别。

巨杉分布式数据库SequoiaDB，提供了四种事务隔离级别。每种隔离级别，与其对应的并发问题处理能力如下：

  1. 读未提交（Read Uncommitted，简称RU）：一个事务，能够访问到其他事务未提交的数据，这是低隔离级别。在这种隔离级别下，上述所有的问题都会发生，如脏读、不可重复读、幻读。
  2. 读已提交（Read Committed，简称RC）：事务只会读取每条数据新被提交的状态，从而避免了脏读。但是，无法保证事务中多次查询数据得到一致的结果，也就是说，仍无法避免不可重复读、幻读的发生。
  3. 读稳定性（Read Stability，简称RS）：事务中对同一份数据的多次读取，其结果与事务中读取到的数据一致，在该事务结束前，该查询结果保持不变。因此，在RC的基础上，进一步避免了不可重复读。
  4. 可重复读（Repeatable Read，简称RR）：事务中对同一份数据的多次读取，其结果与事务中读取到的数据一致，在该事务结束前，该查询结果保持不变。且符合查询条件的结果集记录数，也不会因为其他事务对数据的操作而改变。在该隔离级别下，脏读、不可重复读、幻读的问题都得到了避免。

Note:
还有一种隔离级别经常被提到，那就是串行化读（Serialization）。这是一种十分严苛的隔离级别，解决了所有并发问题，如脏读、不可重复读、幻读等。但在实际业务系统中，这种隔离级别采用得很少，因为它要求事务必须串行化执行，不允许事务并发，这样等同于完全牺牲了系统的并发能力。

从以上可以看出，巨杉提供的四种隔离级别中，可重复读（RR）隔离级别高：

  • 本身已包含读已提交（RC），避免了脏读；
  • 当事务对数据进行读取时，其查询结果已经被确定，在该事务结束前查询到的结果，不会因其他事务对数据的修改而改变，避免了不可重复读；
  • 不会因为其他事务对数据的新增和插入，而改变结果集的记录个数，避免了幻读。

3.3 SequoiaDB 跨引擎事务

巨杉数据库SequoiaDB，作为分布式数据库，将数据分布在多台服务器中的数据节点中。

  • 由SequoiaDB分布式存储引擎和SQL实例构成，底层的存储引擎提供统一的数据存储，上层的SQL实例只完成SQL语法的解析；
  • 由底层的SequoiaDB分布式存储引擎实现事务的并发控制，如事务隔离、锁机制等；
  • 通过二阶段提交协议实现分布式事务，支持跨表跨节点的事务原子操作；
  • 只需要适配对应SQL引擎的语法，即可达到跨引擎事务的效果。

SequoiaDB 巨杉数据库的可重复读级别（Repeatable Read，以下简称RR），通过多版本并发控制（MVCC，Multi-Version Convurrency Control）来实现。MVCC 是一种数据库常用的数据库并发控制机制，通过保存数据在某个事务时间点的快照来进行事务隔离控制。

RR级别使用STP（时间序列协议，Serial Time Protocol），为分布式事务分配全局时间，并使用全局事务一致性的仲裁机制，对分布式事务实现了因果排序，再结合 MVCC 的可见性算法，从而实现了分布式事务的全局一致性（可参考 时间序列服务）。

下文中，我们通过实验，来验证SequoiaDB的事务隔离级别，在并发场景中的表现。

04 分布式数据库HTAP佳实践

4.1 环境描述

巨杉分布式数据库SequoiaDB，能够提供RU、RC、RS、RR四种隔离级别。RR是SequoiaDB提供的4种隔离级别中，严格的一种，而且这也是MySQL的默认级别。
传统的关系型数据库，一般都只能实现RC级别。

因此，下文以RR、RC隔离级别来测试事务的隔离性。其他隔离级别的测试流程类似。

本文中，采用了2个SQL实例，一个MySQL实例，一个PostgreSQL实例，底层使用一个统一的巨杉分布式存储引擎。

4.2. 参数设置

在SequoiaDB中，为了实现RR级别，需要通过数据库参数，开启全局事务和MVCC。此外，还需要时间序列服务(STP)的支持。

  1. SequoiaDB数据库参数设置：
//开启全局事务
db.updateConf( { globtranson:true } );

//开启MVCC（需重启数据节点）
db.updateConf( { mvccon:1 } );
  1. 查看参数设置
db.snapshot(SDB_SNAP_CONFIGS, { Role: "data" }, { NodeName: "", transisolation: "" ,transactionon: "",globtranson:"",mvccon: "" });

参数解释：
Transisolation表示在开启事务的情况下，使用的事务隔离级别。
0：表示 RU，
1：表示 RC，
2：表示 RS，
3：表示 RR。

  1. 开启并检查STP服务
//开启全局事务
stpstart
sdblist -t all -l |grep stp
  1. 为了便于演示，本实验环境关闭了SQL客户端的自动提交
//MySQL
set  AUTOCOMMIT=off
//PostgreSQL
\set AUTOCOMMIT off

4.3. 测试数据准备

  1. 登陆MySQL实例，创建bills数据库，创建一张orders表。
$ 登陆mysql实例
mysql -uroot  -proot -h 127.0.0.1 -P 3306

//创建database
create database bills;
use bills;

//创建orders表
create table bills.orders (
 order_id int,
 p_date date,
 location varchar(100) ,
 primary key (order_id)
);
  1. 向bills.orders表中插入4条记录，并查询
insert into bills.orders values(10001,'2017-06-01','Beijing');
insert into bills.orders values(10002,'2018-06-01','Shanghai' );
insert into bills.orders values(10003,'2019-06-01','Guangzhou' );
insert into bills.orders values(10004,'2020-06-01','Shenzhen' );
commit;
select * from orders;
  1. 登陆PostgreSQL实例、创建bills数据库
$ psql -p 5432
create database bills;
\c bills
  1. 创建SequoiaDB的连接器sdb_server和外部表orders，其中连接器默认开启事务
#加载 SequoiaDB 连接驱动
create extension sdb_fdw;

#创建sdb_server连接器
create server sdb_server foreign data wrapper sdb_fdw options(address 'localhost', service '11810', transaction 'on');

#创建外部表order外表
create foreign table orders (
  order_id int,
  p_date date,
  location varchar(100)
)
server sdb_server options ( collectionspace 'bills', collection 'orders', decimal 'on' ) ;
  1. 数据查询验证
    在PostgreSQL中查询orders表的数据。
select * from orders;

结果显示，PostgreSQL中的数据，与MySQL中插入的数据一致，说明数据正确，PostgreSQL和MySQL使用相同的数据源。

4.4. 测试过程

4.4.1. RR模式测试

  1. 设置SequoiaDB存储引擎事务隔离级别为RR
db.updateConf( { transisolation:3 } )
  1. 修改MySQL的事务隔离级别（下一个事务开始生效）。
    注：虽然在事务隔离级别SequoiaDB存储引擎中已经设置，但MySQL实例中仍需设置。PostgreSQL中因为使用了外部表，因此无需设置。
//MySQL中设置事务隔离级别为RR
set transaction_isolation='REPEATABLE-READ';

//查询
select @@tx_isolation;
  1. 在MySQL会话中开启事务，将order_id=10001的订单数据的location字段，由’Beijing’修改为’Nanjing’，暂不提交。
begin;
update   orders set location='Nanjing'  where  order_id=10001;
  1. 在PostgreSQL会话中开启事务，查询数据。
begin;
select * from orders;

可以看到，在MySQL中未提交的数据，在PostgreSQL中查询不到。说明未发生脏读。
5. 在MySQL会话中，将会话提交。

commit;
  1. 在PostgreSQL中，再次查询数据。
select * from orders;

可以看到，即便MySQL中已将update操作提交，但在PostgreSQL中，查到的数据，仍然是事务中查询时的状态。说明未发生不可重复读。
7. 在MySQL会话中执行insert操作，插入一条order_id为10005的订单数据，并提交。

insert into bills.orders values(10005,'2021-01-01','Hangzhou' );
commit;
select * from orders;
  1. 在PostgreSQL会话中，再次查询
select * from orders;

可以看到，即便MySQL中插入了一条数据，且已提交，但在PostgreSQL中，查到的数据，仍然是事务中读取的状态，结果集的数量也没有发生改变。说明未发生幻读。

通过上述步骤可以验证，由两个不同SQL引擎发起的事务，能够达到RR（可重复读）隔离级别，避免了脏读、不可重复读、幻读的情况。

4.4.2. RC模式测试

  1. 在MySQL中，将测试数据初始化
delete from orders;
insert into bills.orders values(10001,'2017-06-01','Beijing');
insert into bills.orders values(10002,'2018-06-01','Shanghai' );
insert into bills.orders values(10003,'2019-06-01','Guangzhou' );
insert into bills.orders values(10004,'2020-06-01','Shenzhen' );
commit;
select * from orders;
  1. 设置SequoiaDB存储引擎的事务隔离级别为RC。
db.updateConf( { transisolation:1 } )
  1. 设置MySQL的事务隔离级别为RC（下一个事务开始）。
set transaction_isolation='READ-COMMITTED';
select @@tx_isolation;

4.在MySQL会话中开启事务，将order_id=10001的记录的location字段由’Beijing’修改为’Nanjing’，暂不提交；

begin;
update   orders set location='Nanjing'  where  order_id=10001;
select * from orders;
  1. 在PostgreSQL会话中结束刚才的事务，并开启新的事务，查询数据。
rollback;
begin;
select * from orders;

可以看到，在MySQL中未提交的数据，在PostgreSQL中查询不到。说明未发生脏读。
6. 在MySQL会话中，将会话提交。

commit;
  1. 在PostgreSQL中，再次查询数据。
select * from orders;

可以看到，MySQL中将update操作提交后，在PostgreSQL中，可以查询到提交后的数据。说明实现了RC（读已提交）隔离级别。

05 总结

在本文中，我们为大家介绍了SequoiaDB巨杉数据库的事务隔离级别，以及每种事务隔离级别，对应的并发问题处理能力。SequoiaDB支持RU、RC、RS、RR四种事务隔离级别，本文重点对的RR、RC级别，进行了验证。

通过验证，SequoiaDB的RR级别，能够避免脏读、不可重复读、幻读等数据可见性问题；RC级别，能够避免脏读问题。其他的隔离级别，读者朋友们有兴趣的话可以自行验证一下~


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