rosedb 事务实践

一、前言

事务是传统关系型数据库中必不可少的功能，例如 Mysql、Oracle、PostgreSql 都支持事务，但是在 NoSQL 数据库中，事务的概念比较弱化，在实现上也没有关系型数据库那么复杂。

但是为了数据的完整一致性，大多数 k-v 都会实现事务的基本特性，例如 k-v 数据库的两大鼻祖 LevelDB 和 RocksDB，一些 Go 语言实现的开源 k-v 也都支持事务，例如 Bolt，Badger 等。

rosedb 的事务目前刚实现了一个初级的版本，代码还比较简单，只不过在我的预期构思内，后续可能会慢慢演化得更加复杂。

需要说明的是，在实现 rosedb 的事务之前，我对事务的理解也仅限于 ACID 这些基础概念，所以这次实现完全是摸着石头过河，可能存在一些槽点，大家有什么疑问可以指出来，我后面也会继续学习并完善。

二、基本概念

说到事务，就很容易想到事务的 ACID 特性，带大家回顾一下：

• 原子性（Atomicity）：一个事务中的所有操作，要么全部完成，要么全部失败，不会在中间环节结束。如果事务执行过程中发生错误，能够被回滚至事务开始之前的状态。
• 一致性（Consistency）：在事务开始前和结束后，数据库的完整性没有被破坏，这意味着数据状态始终符合预期。
• 隔离性（Isolation）：隔离性描述的是多个执行中的事务相互影响的程度，有常见的四种隔离级别，表示事务之间不同的影响程度：
  • 读未提交（read uncommitted）：一个事务还未提交，另一个事务就能看到它所做的修改（存在脏读）
  • 读提交（read committed）：一个事务对数据的修改，只能等到它提交之后，其他事务才能看到（没有脏读，但是不可重复读）
  • 可重复读（repeatable read）：一个事务在执行过程中获取到的数据，和事务开始时的数据一致（没有脏读，可以重复读，但是有幻读）
  • 串行化（serializable）：读写互斥，避免事务并发，一个事务必须等到前一个事务提交后才能执行（无脏读，可重复读，无幻读）
• 持久性（Durability）：一个事务提交之后，它所做的修改是永久的，即使数据库崩溃之后也能够保证安全。

ACID 的概念看起来挺多，但并不难理解，要实现事务，其实就是保证在数据读写时，满足事务的这几个基本概念，其中 AID 是必须保证的。

而 Consistency 即一致性，可以简单理解为它就是事务的最终目标，数据库通过 AID 来保证一致性，而我们在应用层面也要保证一致性，假如我们写入的数据本身逻辑上就是错误的，那么即使数据库事务再完善，也无法保证一致性。

三、具体实现

在讲解事务实现之前，先来看看 rosedb 当中事务的基本用法：

// 打开数据库实例
db, err := rosedb.Open(rosedb.DefaultConfig())
if err != nil {
   panic(err)
}

// 在事务中操作数据
err = db.Txn(func(tx *Txn) (err error) {
   err = tx.Set([]byte("k1"), []byte("val-1"))
   if err != nil {
      return
   }
   err = tx.LPush([]byte("my_list"), []byte("val-1"), []byte("val-2"))
   if err != nil {
      return
   }
   return
})

if err != nil {
   panic(fmt.Sprintf("commit tx err: %+v", err))
}

首先还是会打开一个数据库实例，然后调用 Txn 方法，这个方法的入参是一个函数，事务的操作都在这个函数中完成，在提交的时候一次性执行。

像这样使用的话，事务会自动提交，当然也可以手动开启事务并提交，并且在有错误发生时手动回滚，如下：

// 打开数据库实例
db, err := rosedb.Open(rosedb.DefaultConfig())
if err != nil {
   panic(err)
}

// 开启事务
tx := db.NewTransaction()
err = tx.Set([]byte("k1"), []byte("val-1"))
if err != nil {
   // 有错误发生时回滚
   tx.Rollback()
   return
}

// 提交事务
if err = tx.Commit(); err != nil {
   panic(fmt.Sprintf("commit tx err: %+v", err))
}

当然还是推荐第一种用法，省去了手动提交事务和回滚。

Txn 方法表示的是读写事务，此外还有一个 TxnView 方法，表示的是只读事务，使用方式完全一致，只不过在 TxnView 方法内的写入命令都会被忽略。

db.TxnView(func(tx *Txn) error {
   val, err := tx.Get([]byte("k1"))
   if err != nil {
      return err
   }
   // 处理 val

   hVal := tx.HGet([]byte("k1"), []byte("f1"))
   // 处理 hVal
  
   return nil
})

了解了事务的 ACID 基本概念和 rosedb 事务基本用法之后，再来看看在 rosedb 当中，事务究竟是怎么实现的，也可以认为是如何来保证 AID 特性的。

3.1 原子性

前面已经说到，原子性指的是的事务执行的完整性，要么全部成功，要么全部失败，不能停留在中间状态。

要实现原子性其实不难，可以借助 rosedb 的写入特性来解决。先来回顾一下 rosedb 数据写入的基本流程，两个步骤：首先数据会先落磁盘，保证可靠性，然后更新内存中的索引信息。

对于一个事务操作，要保证原子性，可以先将需要写入的数据在内存中暂存，然后在提交事务的时候，一次性写入到磁盘文件当中。

这样存在一个问题，那就是在批量写入磁盘的时候出错，或者系统崩溃了怎么办？也就是说可能有一些数据已经写入成功，有一些写入失败了。按照原子性的定义，这一次事务没有提交完成，是无效的，那么应该怎么知道已经写入的数据是无效的呢？

目前 rosedb 采用了一种最容易理解，也是比较简单的一种办法来解决这个问题。

具体做法是这样的：每一次事务开始时，都会分配一个全局唯一的事务 id，需要写入的数据都会带上这个事务 id 并写入到文件。当所有的数据写入磁盘完成之后，将这个事务 id 单独存起来（也是写入到一个文件当中）。在数据库启动的时候，会先加载这个文件中的所有事务 id，维护到一个集合当中，称之为已提交的事务 id。

这样的话，就算数据在批量写入时出错，由于没有存放对应的事务 id，所以在数据库启动并取出数据构建索引的时候（回忆一下 rosedb 的启动流程），能够检查到数据对应的事务 id 没有在已提交事务 id 集合当中，所以会认为这些数据无效。

大多数 LSM 流派的 k-v 都是利用类似的思路来保证事务的原子性，例如 rocksdb 是将事务中所有的写入都存放到了一个 WriteBatch 中，在事务提交的时候一次性写入。

3.2 隔离性

目前 rosedb 支持两种事务类型：读写事务和只读事务。只能同时开启一个读写事务，只读事务则可以同时开启多个。

在这种模式下，读会加读锁，写会加写锁，也就是说，读写会互斥，不能同时进行。可以理解为这是四种隔离级别中的串行化，它的优点是简单易实现，缺点是并发能力差。

需要说明的是，目前的这种实现在后面大概率会进行调整，我的设想是可以使用快照隔离的方式来支持读提交或者可重复读，这样数据读取能够读到历史版本，不会造成写操作的阻塞，只不过在实现上要复杂得多了。

3.3 持久性

持久性需要保证数据已经写到了非易失性存储介质当中，比如最常见的有磁盘或者 SSD，这样即使发生系统异常，也能够保证数据安全。

在 rosedb 当中，写入数据时，如果走默认的刷盘策略，是将数据写到了操作系统页缓存当中，实际上并没有落磁盘。如果操作系统还没来来得及将页缓存的数据刷到磁盘，那么会造成数据丢失。这样虽不能完全保证持久性，但性能是相对更好的，因为 Sync 刷磁盘是一次极其慢速的操作。

如果在启动 rosedb 的时候指定了配置项 Sync 为 true，那么每次写入都会强行 Sync，能够保证数据不丢，但是写性能会下降。

实际应该怎么选择，可以根据自己的使用场景来，如果系统稳定，对性能的要求较高，并且能够容忍丢失少量数据，那么可以采用默认策略，即 Sync 为 false，否则可以强制刷盘。

四、缺陷

经过上面的简单分析，可以看到 rosedb 已经基本实现了事务的 AID 特性，整体来说还是挺简单的，易于学习和使用，并且能够很好理解便于进一步的扩展。当然，目前也存在一些缺陷亟待解决。

第一个便是上面提到的隔离级别的问题，目前这种方式太过简单，使用一把全局大锁搞成了串行化，后续可以考虑只锁定需要操作的某个 key，减小锁的粒度。

还有一个问题便是，由于 rosedb 支持了多种数据结构，但是像 List、ZSet 这种结构，在事务中支持全部命令的难度较大，因此目前 List 只支持了 LPush 和 RPush，ZSet 只支持了ZAdd、ZScore、ZRem 命令。

主要的原因是如果在事务中对已经存在的 key 进行读写，那么去支持像范围查找这种类型的命令就会很困难，目前我还没有想到比较好的解决方案。

最后，附上项目地址：https://github.com/roseduan/rosedb，欢迎各位前来围观吐槽。

Ps：rosedb 也欢迎对存储、k-v 感兴趣的朋友加入，也可加我微信进行深入探讨交流。