面试题：分布式系统里，为NoSQL数据库设计兼顾ACID特性与高可用的方案

Question

假设你正在为一个大规模分布式电商系统设计后端存储，该系统要求在处理高并发交易的同时，对订单数据存储的NoSQL数据库能尽可能满足ACID特性，并且要保证高可用性和扩展性。请详细描述你会如何设计这个基于NoSQL数据库的存储方案，包括选择哪种NoSQL数据库，怎样优化其ACID特性实现，以及如何确保系统在节点故障、网络分区等情况下仍能保持数据一致性和高可用性。

Answer 1

1. 选择的NoSQL数据库

考虑到系统需要尽可能满足ACID特性、高可用性和扩展性，选择CockroachDB。CockroachDB是一款开源的分布式SQL数据库，融合了传统关系型数据库的ACID事务特性与NoSQL数据库的分布式、可扩展性。

2. 优化ACID特性实现

• 原子性（Atomicity）：CockroachDB通过分布式事务协调机制确保事务的原子性。每个事务都有一个唯一的事务ID，所有涉及到该事务的操作要么全部成功提交，要么全部回滚。例如，在处理订单交易时，涉及库存扣减、订单创建等多个操作，CockroachDB会保证这些操作要么都完成，要么都不执行。
• 一致性（Consistency）：采用多版本并发控制（MVCC）来维护数据一致性。MVCC允许在不锁定数据的情况下进行并发读写，每个写操作会创建一个新的数据版本，读操作会根据事务的时间戳读取合适的数据版本。同时，CockroachDB使用Raft共识算法来确保数据在多个副本间的一致性，所有数据变更都要通过Raft协议同步到大多数副本后才会被认为提交成功。
• 隔离性（Isolation）：支持可串行化隔离级别，这是最高的隔离级别，能防止所有类型的并发异常，如脏读、不可重复读和幻读。在订单处理场景中，不同用户的订单事务之间不会相互干扰，保证每个事务的执行就像在串行环境中一样。
• 持久性（Durability）：一旦事务提交，CockroachDB会将数据持久化到磁盘。数据会同步复制到多个节点，使用Raft协议保证即使部分节点故障，已提交的数据也不会丢失。

3. 确保系统在节点故障、网络分区等情况下的数据一致性和高可用性

• 节点故障：
  • 自动故障检测与替换：CockroachDB内置了节点健康监测机制，能自动检测节点故障。当某个节点发生故障时，集群会通过Raft协议自动选举新的领导者（对于使用Raft协议管理的分区数据），并将负载重新分配到其他健康节点上。
  • 数据冗余与复制：数据会在多个节点上进行复制，默认情况下，每个数据块会有三个副本。这样即使个别节点故障，数据依然可以从其他副本获取，保证数据的可用性和一致性。
• 网络分区：
  • 多数派写操作：CockroachDB通过Raft协议进行数据复制和一致性维护，写操作需要得到大多数副本（quorum）的确认才能提交。在网络分区的情况下，只要包含大多数副本的子集群保持连通，就能继续处理写操作，确保数据一致性。
  • 分区恢复：当网络分区恢复后，CockroachDB会自动进行数据同步，使各个节点的数据达到一致状态。它会对比不同节点的数据版本，将缺失或过期的数据更新到最新状态，保证整个集群的数据一致性。