相信不少讀者容易搞混事務(wù)的ACID屬性亿鲜、事務(wù)隔離級(jí)別允蜈、CAP理論以及BASE理論都是什么，它們之間有什么關(guān)系蒿柳，本文將對(duì)這些看起來(lái)有一定關(guān)聯(lián)的概念做一個(gè)探討饶套。
事務(wù)的ACID屬性
談到數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)，ACID屬性總是無(wú)法繞過(guò)垒探，先了解下什么是ACID妓蛮，再跟后面內(nèi)容做一個(gè)對(duì)比，加深理解圾叼。
事務(wù)本質(zhì)上是由一組關(guān)聯(lián)SQL組成的執(zhí)行任務(wù)單元蛤克，事務(wù)必須符合4個(gè)基本屬性才能稱之為一個(gè)有效的事務(wù)：
- A: Atomic, 原子性，一組執(zhí)行任務(wù)單元要么一起成功夷蚊，要么一起失敗撤銷构挤，不能存在部分成功的情況。
- C: Consistency惕鼓，一致性筋现，事務(wù)執(zhí)行結(jié)束后，邏輯上數(shù)據(jù)的完整性是不變的呜笑。
- I : Isolation, 隔離性夫否，事務(wù)之間彼此獨(dú)立，不會(huì)相互影響叫胁，不允許事務(wù)A讀取到事務(wù)B的中間狀態(tài)的情況凰慈。
- D: Durability，持久性驼鹅，事務(wù)執(zhí)行完成后微谓，數(shù)據(jù)就能持久存儲(chǔ)，即便系統(tǒng)崩潰输钩，數(shù)據(jù)也能正巢蛐停恢復(fù)。
ACID的關(guān)注點(diǎn)主要集中在一次事務(wù)的基本能力訴求上买乃，而怎么達(dá)到事務(wù)的這些屬性要求姻氨，需要交由各個(gè)系統(tǒng)去考慮及實(shí)現(xiàn)。
事務(wù)的隔離級(jí)別
事務(wù)有4種隔離級(jí)別剪验，從隔離程度的低到高分別是：
Read uncommitted：讀未提交
一個(gè)事務(wù)尚未提交肴焊，其他事務(wù)就可以讀到它的中間狀態(tài)數(shù)據(jù)前联。
讀未提交的實(shí)現(xiàn)方式是，在事務(wù)過(guò)程中不做任何控制娶眷，一遍執(zhí)行事務(wù)一遍實(shí)時(shí)生效到數(shù)據(jù)庫(kù)中似嗤。
這個(gè)過(guò)程中如果其他事務(wù)在讀寫同一個(gè)數(shù)據(jù)，那么最終結(jié)果是會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的届宠，也就是說(shuō)存在“臟讀”的可能性烁落。-
Read committed：讀已提交
事務(wù)只有在提交以后，其他事務(wù)才能讀到它的更新數(shù)據(jù)豌注。
讀已提交的實(shí)現(xiàn)方式是伤塌，同樣不做事務(wù)過(guò)程控制，只關(guān)注單個(gè)事務(wù)執(zhí)行過(guò)程的中間數(shù)據(jù)不直接入庫(kù)幌羞，而是在執(zhí)行完畢后一次性把緩存副本全部刷到數(shù)據(jù)庫(kù)中寸谜。
上述實(shí)現(xiàn)避免中間態(tài)外泄的問(wèn)題，避免了“臟讀”属桦，但無(wú)法避免一個(gè)事務(wù)在兩次讀取A數(shù)據(jù)的過(guò)程中數(shù)據(jù)被其他事務(wù)更新熊痴，導(dǎo)致兩次讀出來(lái)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，也就是“不可重復(fù)讀”聂宾。
不可重復(fù)讀 Repeatable read：可重復(fù)讀
對(duì)事務(wù)過(guò)程的并發(fā)進(jìn)行控制果善，事務(wù)啟動(dòng)后會(huì)鎖著相關(guān)的數(shù)據(jù)，禁止其他事務(wù)進(jìn)行讀寫系谐。
這樣又避免了“不可重復(fù)讀”的問(wèn)題巾陕，然而，如果事務(wù)過(guò)程包含count操作纪他，在兩次count之間鄙煤，有一個(gè)插入數(shù)據(jù)的事務(wù)執(zhí)行了，那么兩次count的內(nèi)容又會(huì)不一致茶袒，這就是“幻讀”梯刚。Serializable：序列化
所有事務(wù)進(jìn)入執(zhí)行隊(duì)列串行執(zhí)行，把并發(fā)事務(wù)disable掉薪寓，除了性能問(wèn)題亡资，序列化方案能避免所有問(wèn)題。
CAP理論
不同類型的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)向叉，對(duì)于數(shù)據(jù)可靠的要求程度是不同的锥腻，也就是說(shuō)，不同人對(duì)于怎樣的一個(gè)系統(tǒng)算是可靠的定義是不一樣的母谎。那么通過(guò)怎樣的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量系統(tǒng)的可靠程度呢瘦黑？
Eric Brewer提出了分布式系統(tǒng)的三個(gè)衡量系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)，來(lái)論證分布式系統(tǒng)的可靠能力邊界，它們統(tǒng)稱CAP理論：
- Consitency: 一致性
分布式系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)幸斥，是否能保證嚴(yán)格一致存崖，即每次的數(shù)據(jù)變更，要么同時(shí)在全部節(jié)點(diǎn)生效睡毒，要么全部不生效，不會(huì)出現(xiàn)只有部分節(jié)點(diǎn)生效的情況冗栗，即強(qiáng)一致性演顾。
舉例：
把分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)A改成B，當(dāng)系統(tǒng)返回成功的時(shí)刻起隅居，任何查詢?cè)摂?shù)據(jù)的請(qǐng)求都能正確得到B钠至，期間不存在部分查詢得到A，部分得到B的中間狀態(tài)胎源。
再稍微擴(kuò)展下棉钧，對(duì)于一致性的等級(jí)，可以進(jìn)一步分成三種：
1涕蚤、強(qiáng)一致性
指更新操作完成的時(shí)刻宪卿，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的讀操作都返回更新后的內(nèi)容（基于同一個(gè)數(shù)據(jù)副本）。
2万栅、弱一致性
指更新以后佑钾，允許部分或全部讀取的結(jié)果不能返回更新后的內(nèi)容。
3烦粒、最終一致性
指更新完成一段時(shí)間以后休溶，系統(tǒng)最終達(dá)成數(shù)據(jù)的一致性。
- Availability: 可用性
可用性指的是每一個(gè)向服務(wù)器發(fā)起的請(qǐng)求扰她，都能在可容忍的一定時(shí)間內(nèi)得到符合業(yè)務(wù)預(yù)期的響應(yīng)結(jié)果兽掰。 - Partition tolerance: 分區(qū)容忍性
分區(qū)容忍性指的是系統(tǒng)存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下，不會(huì)因?yàn)槟巢糠止?jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致服務(wù)完全不可用徒役。
存在分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的原因孽尽，除了高可用高性能的需求外，最基礎(chǔ)的就是數(shù)據(jù)有備份機(jī)制廉涕，不能存在由于某個(gè)節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題導(dǎo)致全部數(shù)據(jù)丟失泻云。基于這個(gè)原因狐蜕，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)分區(qū)是必須的宠纯。
但是分區(qū)又會(huì)帶入另一個(gè)問(wèn)題，就是分區(qū)系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)抖動(dòng)层释、某些服務(wù)器可能會(huì)崩潰婆瓜，也就是說(shuō)分區(qū)出現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)不一致等的情況幾乎是必然發(fā)生的，分布式存儲(chǔ)服務(wù)的設(shè)計(jì)必須容忍這種情況，并以某種方式讓數(shù)據(jù)最終能夠達(dá)成一致廉白。如果不允許此情況發(fā)生个初，唯一的解決方案就是沒(méi)有分區(qū)，也就是單節(jié)點(diǎn)運(yùn)行猴蹂，而這又是服務(wù)器設(shè)計(jì)的兵家大忌院溺。
選擇AP還是CP的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題
在理解了CAP理論的定義之后，我們知道了分區(qū)容忍性是必須滿足的磅轻，那么讓我們探討下CAP能否同時(shí)保障珍逸。
假設(shè)我們有一個(gè)由2臺(tái)服務(wù)器組成的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，現(xiàn)在服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)了聋溜，然后存儲(chǔ)系統(tǒng)收到了一個(gè)更新操作谆膳，把數(shù)據(jù)A更新為B。
- 如果我們必須保證強(qiáng)一致性（C）撮躁。
1）我們可以讓一臺(tái)服務(wù)器接管所有更新跟后續(xù)的查詢請(qǐng)求漱病，也就是說(shuō)我們必須放棄另一臺(tái)機(jī)器，單機(jī)運(yùn)行把曼，即放棄分區(qū)容忍性杨帽，保障系統(tǒng)的強(qiáng)一致性以及可用性（CA）。
2）我們也可以選擇更新失敗嗤军，等待兩臺(tái)服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)睦尽，然后再通知用戶重新發(fā)起請(qǐng)求，放棄可用性(CP)型雳。
- 如果我們必須保證可用性（A）当凡。
這意味著更新操作必須得到成功的響應(yīng)結(jié)果。
3）我們可以選擇兩臺(tái)服務(wù)器一起工作纠俭，每臺(tái)完成自己的獨(dú)立讀寫沿量，實(shí)現(xiàn)分區(qū)容忍性，等網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)了再手工進(jìn)行服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)同步冤荆，放棄強(qiáng)一致性（AP）朴则。
4）我們也可以選擇只讓一臺(tái)服務(wù)器工作，回到方案1钓简，放棄分區(qū)容忍性（AC)乌妒。
- 如果我們必須保證分區(qū)容忍性（P）。
也就是說(shuō)我們要讓兩臺(tái)服務(wù)器能夠同時(shí)處理請(qǐng)求外邓。
我們可以選擇回到假設(shè)2的方案1撤蚊，放棄強(qiáng)一致性(PC)。
或者可以選擇回到假設(shè)3的方案2损话，放棄可用性(PA)侦啸。
基于上述的假設(shè)槽唾，我們能夠清楚地知道，CAP中的三者不可兼得光涂，我們往往只能選擇兩個(gè)庞萍。
1、保障CA忘闻，舍棄P：
舍棄分區(qū)容忍性钝计，意味著我們只能讓一臺(tái)服務(wù)器接管所有的請(qǐng)求，放棄高可用齐佳。那么就有一個(gè)單點(diǎn)故障的問(wèn)題存在葵蒂，一旦單機(jī)掛了，那么整個(gè)系統(tǒng)就不可用了重虑。
因此，舍棄分區(qū)容忍性基本是不可接受的秦士。
大多數(shù)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)默認(rèn)都是CA模型缺厉，并不考慮分區(qū)容忍性，有時(shí)候我們會(huì)簡(jiǎn)單地采用master-slave的方式來(lái)做數(shù)據(jù)冷備隧土，這種方式實(shí)際上也是CA提针，因?yàn)閙aster掛了服務(wù)就不可用了。2曹傀、保障AP辐脖，舍棄C：
舍棄強(qiáng)一致性，意味著當(dāng)故障發(fā)生皆愉，有些用戶進(jìn)行寫操作以后嗜价，可能出現(xiàn)某些請(qǐng)求出現(xiàn)結(jié)果，某些請(qǐng)求又返回修改前的數(shù)據(jù)的情況幕庐，只要保障最終一致性就可以久锥。
在大多數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)一致性不具有很強(qiáng)要求的應(yīng)用場(chǎng)景，可以采用這種方式异剥，比如各類緩存服務(wù)模塊瑟由，目標(biāo)是服務(wù)穩(wěn)定，至于數(shù)據(jù)是否完全一致冤寿，并不那么重要歹苦。
再接著第一點(diǎn)的master-slave方案中，有讀者又會(huì)提出問(wèn)題督怜，如果master-slave是一主多從殴瘦，主寫從讀呢？-- 這種就沒(méi)法保證一致性了号杠，實(shí)際上是AP模式痴施。3、保障CP，舍棄A：
放棄可用性辣吃，意味著當(dāng)故障發(fā)生的時(shí)候动遭，我們要讓整個(gè)系統(tǒng)處于不可用的狀態(tài)，直到故障恢復(fù)神得，系統(tǒng)才能繼續(xù)響應(yīng)用戶的請(qǐng)求厘惦。
這樣的設(shè)計(jì)在應(yīng)用系統(tǒng)中大多在跟錢打交道的應(yīng)用中使用，當(dāng)故障發(fā)生的時(shí)候哩簿，我們讓寫的請(qǐng)求操作不可用宵蕉，只讀不寫，放棄寫的可用性节榜。
在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的分布式事務(wù)羡玛，或者像上文的master-slave的架構(gòu)升級(jí)版，主寫從讀宗苍，二階段提交稼稿，從掛了就舍棄，主掛了就重新選舉呢讳窟？
實(shí)際上這就是Zookeeper這種數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)常用的解決方案让歼，保障了CP，但當(dāng)系統(tǒng)分裂程度達(dá)到分區(qū)的容忍范圍外的情況下（一般是1/2及以上丽啡，避免腦裂發(fā)生)谋右，系統(tǒng)會(huì)不可用，從而放棄可用性补箍。
BASE理論
BASE理論改执，即Basically Available, Soft state, Eventually consistency（基本可用，軟（過(guò)渡）狀態(tài)坑雅，并達(dá)到最終一致）天梧。
BASE理論是在CAP理論的三種剛性要求基礎(chǔ)上提出的折中方案，中心思想是根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景霞丧，在可容忍范圍內(nèi)呢岗，盡可能保障用戶體驗(yàn)及服務(wù)可用。
- Basically Available：基本可用
系統(tǒng)即便在發(fā)生部分故障的情況下蛹尝，也能保持基本可用的狀態(tài)后豫。 - Soft state：軟（過(guò)渡）狀態(tài)
軟狀態(tài)指的是，允許存在中間存在數(shù)據(jù)不一致的情況突那，參考關(guān)于上文Consistency一節(jié)提到的三種一致性等級(jí)挫酿。 - Eventually consistency：達(dá)到最終一致
能通過(guò)自動(dòng)、手動(dòng)同步等方式愕难，讓數(shù)據(jù)達(dá)到最終一致性早龟。
總結(jié)
最后惫霸，我們來(lái)把事務(wù)ACID/隔離級(jí)別，CAP及BASE理論串一下葱弟。
- 一個(gè)生產(chǎn)可用的存儲(chǔ)系統(tǒng)要求至少得是一個(gè)分布式系統(tǒng)壹店，而通過(guò)CAP理論，我們得知分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)不是萬(wàn)能的芝加，它具備能力邊界硅卢。
- CAP理論要求的三種指標(biāo)都太剛性，我們可以使用BASE理論來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)存在中間過(guò)渡狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)方案藏杖。
- 如果存儲(chǔ)系統(tǒng)需要滿足事務(wù)需求将塑，需要達(dá)到ACID的4種屬性要求。
- 在具體實(shí)現(xiàn)事務(wù)的設(shè)計(jì)方案中蝌麸，存在4種相互隔離的級(jí)別可供選擇点寥，業(yè)務(wù)需根據(jù)自己的使用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。
