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openGauss 分布式事务
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前面我们简要介绍了单机事务和分布式事务的区别,也指出了在分布式情况下,可能存在特有的原子性和一致性问题。本文主要介绍在openGauss数据库中,如何保证分布式事务的原子性和强一致性。

1 分布式事务原子性和两阶段提交协议

为了保证分布式事务的原子性,防止出现如图10-2中所示的部分DN提交、部分DN回滚的"中间态"事务,openGauss采用两阶段提交(2PC)协议。

两阶段提交流程示意图.png

两阶段提交流程示意图

如上图所示,顾名思义,两阶段提交协议将事务的提交操作分为两个阶段:

  • 阶段一,准备阶段(prepare phase),在这个阶段,将所有提交操作所需要使用到的信息和资源全部写入磁盘,完成持久化;

  • 阶段二,提交阶段(commit prepared phase),根据之前准备好的提交信息和资源,执行提交或回滚操作。 两阶段提交协议之所以能够保证分布式事务原子性的关键在于:一旦准备阶段执行成功,那么提交需要的所有信息都完成持久化下盘,即使后续提交阶段某个DN发生执行错误,该DN可以再次从持久化的提交信息中尝试提交,直至提交成功。最终该分布式事务在所有DN上的状态一定是相同的,要么所有DN都提交,要么所有DN都回滚。因此,对外来说,该事务的状态变化是原子的。

下表总结了在openGauss分布式事务中的不同阶段,如果发生故障或执行失败,分布式事务的最终提交/回滚状态,读者可自行推演,本文不再赘述。

发生故障或执行失败时事务的最终状态

屏幕快照 2021-11-25 下午3.43.05.png

2 分布式事务一致性和全局事务管理

为了防止瞬时不一致现象,支持分布式事务的强一致性,我们需要全局范围内的事务号和快照,以保证全局MVCC和快照的一致性。在openGauss中,GTM负责提供和分发全局的事务号和快照。对于任何一个读事务,其都需要到GTM上获取全局快照;对于任何一个写事务,其都需要到GTM上获取全局事务号。

为了防止瞬时不一致现象,支持分布式事务的强一致性,我们需要全局范围内的事务号和快照,以保证全局MVCC和快照的一致性。在openGauss中,GTM负责提供和分发全局的事务号和快照。对于任何一个读事务,其都需要到GTM上获取全局快照;对于任何一个写事务,其都需要到GTM上获取全局事务号。

分布式事务一致性问题示意图.png

分布式事务一致性问题示意图

在上图中加入GTM,并考虑两阶段提交流程之后,分布式读-写并发事务的流程如下图所示。对于读事务来说,由于写事务在其从GTM获取的快照中,因此即使写事务在不同DN上的提交顺序和读事务的执行顺序不同,也不会造成不一致的可见性判断和不一致的读取结果。

读-写并发下全局事务号和快照的分发流程示意图.png

读-写并发下全局事务号和快照的分发流程示意图

细心的读者会发现,在上图的两阶段提交流程中,写事务T1在各个DN上完成准备阶段之后,首先第一步是到GTM上结束T1事务(将T1从全局快照中移除),然后第二步再到各个DN上进行提交阶段。在这种情况下,如果查询事务T2是在第一步和第二步之间在GTM上获取快照,并到各个DN上执行查询的话,那么T2事务读到的T1事务插入的记录v1和v2,它们xmin对应的XID1已经不在T2事务获取到的全局快照中,因此v1和v2的可见性判断会完全基于T1事务的提交状态。然而,此时XID1对应的T1事务在各个DN上可能还没有全部或部分完成提交阶段,那么就会出现各个DN上可见性不一致的情况。

为了防止上面这种问题出现,在openGauss中采用本地二阶段事务补偿机制。如下图所示,对于在DN上读取到的记录,如果其xmin或者xmax已经不在快照中,但是它们对应的写事务还在准备阶段,那么查询事务将会等到这些写事务在DN本地完成提交阶段之后,再进行可见性判断。考虑到通过两阶段提交协议,可以保证各个DN上事务最终的提交或回滚状态一定是一致的,因此在这种情况下各个DN上记录的可见性判断也一定是一致的。

读-写并发下本地两阶段事务补偿流程示意图.png

读-写并发下本地两阶段事务补偿流程示意图

3 小结

本文主要结合openGauss数据库的事务机制和实现原理,基于显式事务和隐式事务,介绍事务块状态机的变化,以及openGauss事务ACID特性的实现方式。尤其的,对于分布式场景下的事务原子性和一致性问题,介绍openGauss采取的多种解决技术方案,以保证数据库最终对外呈现的ACID不受分布式执行框架的影响。


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By enmotech on 2021-11-25 14:52 | Comments (0) | | 3441 |


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