面试题：MongoDB中事务与分片集群集成的基本原理

Question

请阐述在MongoDB中事务与分片集群集成时，事务如何跨越多个分片进行操作，以及这种集成的基本原理是什么？

Answer 1

事务跨越多个分片操作方式

1. 协调器（Coordinator）角色：
   • 在MongoDB分片集群中进行跨分片事务时，客户端连接的mongos实例充当事务协调器。当一个事务发起时，协调器负责跟踪事务的状态、管理事务的开始和提交/回滚操作。
   • 例如，应用程序发起一个涉及多个分片数据的转账事务，协调器会记录事务的初始状态，包括事务ID等关键信息。
2. 操作分发：
   • 协调器会将事务中的操作分解并分发到相应的分片。它会根据数据的分片键来确定每个操作应该发往哪个分片。比如，在一个多文档事务中，不同文档可能因为分片键不同分布在不同分片上，协调器会准确地将对各文档的操作发送到对应的分片。
   • 假设存在一个电子商务订单事务，订单文档和客户文档可能在不同分片，协调器会把订单创建操作发往订单数据所在分片，把客户余额更新操作发往客户数据所在分片。
3. 预提交和准备阶段：
   • 协调器向各个分片发送预提交（prepare）指令。每个分片在接收到预提交指令后，会将事务中的操作持久化到其日志中，并记录事务的状态为“prepared”。这个过程确保了每个分片的数据修改处于一种可恢复且可最终提交或回滚的状态。
   • 例如，分片1和分片2分别收到协调器的预提交指令，它们各自将相关操作记录到自己的oplog（操作日志）中，并标记事务处于“prepared”状态。
4. 提交或回滚：
   • 如果所有分片都成功完成预提交（即处于“prepared”状态），协调器会向各个分片发送提交指令。分片在收到提交指令后，正式完成事务的提交操作，使数据修改永久生效。
   • 若有任何一个分片在预提交阶段失败，协调器会向所有分片发送回滚指令，各分片将根据日志回滚事务中的操作，恢复到事务开始前的状态。

集成基本原理

1. 两阶段提交（2PC）：
   • MongoDB跨分片事务集成基于两阶段提交协议。第一阶段是准备阶段，如上述的预提交过程，各分片准备好提交事务但并不实际提交。第二阶段是提交阶段，如果所有分片准备成功，协调器通知各分片提交；若有分片准备失败，则通知各分片回滚。
   • 这种方式保证了跨分片事务的原子性，要么所有分片的操作都成功提交，要么都回滚，确保数据的一致性。
2. 分布式锁：
   • 在事务执行过程中，为了保证数据的一致性和并发控制，MongoDB使用分布式锁机制。在跨分片事务中，每个分片会对事务涉及的数据持有锁，防止其他并发事务对相同数据进行冲突操作。
   • 例如，当一个事务在分片1上对某个文档进行修改时，分片1会对该文档加锁，直到事务完成（提交或回滚）才释放锁，避免其他事务在该事务未完成时修改相同数据。
3. 操作日志与恢复：
   • 每个分片的操作日志（oplog）记录了事务中的操作。在事务进行预提交时，操作被写入oplog，这不仅用于持久化事务操作，还用于在系统故障等情况下进行恢复。
   • 如果在事务提交过程中出现故障，系统重启后，分片可以根据oplog中的记录和事务的“prepared”状态，继续完成提交或进行回滚操作，确保事务的一致性和完整性。