面试题：MongoDB跨分片增删改查的原子性设计与实现

Question

假设在一个分片集群的MongoDB环境中，需要对分布在不同分片上的文档执行增删改查的组合操作以实现某个业务逻辑，从系统设计和底层实现角度，分析MongoDB是如何确保这类跨分片操作的原子性，以及这种设计可能带来的性能和一致性权衡。

Answer 1

原子性保证

1. 系统设计角度
   • MongoDB 4.0 引入了多文档事务支持。对于跨分片的增删改查组合操作，事务机制可以确保这些操作要么全部成功，要么全部失败。事务通过两阶段提交（2PC）协议来协调各个分片上的操作。
   • 在启动事务时，MongoDB 会为事务分配一个全局事务标识符（GTID）。各个分片上的操作会记录与该 GTID 相关的日志。
   • 当事务进入提交阶段，协调者（通常是主分片）会向所有涉及的分片发送预提交请求。如果所有分片都成功预提交，协调者再发送提交请求，各个分片完成最终提交；如果有任何一个分片预提交失败，协调者会发送回滚请求，所有分片回滚操作。
2. 底层实现角度
   • 每个分片内部使用 WAL（Write - Ahead Logging）来记录操作。在事务预提交阶段，分片会将相关操作记录到 WAL 中，并生成预提交记录。在提交阶段，这些预提交记录会被转换为正式的提交记录。
   • 为了确保操作的原子性，MongoDB 使用锁机制。在事务执行过程中，会对涉及的文档或集合加锁，防止其他并发事务修改相同的数据，直到当前事务完成。

性能权衡

1. 优点
   • 事务机制提供了强一致性的操作，对于一些对数据完整性要求极高的业务场景非常适用，例如银行转账等操作。确保了跨分片操作要么全部完成，要么全部不完成，不会出现部分成功部分失败的情况，从而保证数据的正确性。
2. 缺点
   • 锁开销：由于在事务执行过程中需要加锁，这会导致并发性能下降。其他事务可能需要等待锁释放才能执行，特别是在高并发环境下，锁竞争会变得更加激烈。
   • 网络开销：两阶段提交协议需要协调者与各个分片之间进行多次网络通信。预提交和提交请求都需要在网络中传输，这增加了网络延迟和带宽消耗，特别是当分片之间的网络延迟较高时，对性能影响更大。
   • 日志开销：为了支持事务的原子性，每个分片都需要记录详细的 WAL 日志。这不仅增加了存储开销，在写入日志和回放日志时也会带来一定的性能损耗。

一致性权衡

1. 优点
   • 跨分片事务通过 2PC 协议保证了强一致性。在事务提交后，所有分片上的数据状态是一致的，满足 ACID 中的一致性要求。这对于需要严格数据一致性的业务场景，如财务系统等，是非常重要的。
2. 缺点
   • 可用性降低：由于 2PC 协议的特性，如果某个分片在事务过程中出现故障，整个事务可能会被阻塞或回滚。例如，在预提交阶段某个分片不可用，协调者无法收到该分片的预提交结果，就不能继续提交事务，这可能导致整个系统的可用性降低。
   • 延迟增加：为了保证一致性，事务执行过程中的协调和同步操作会增加延迟。特别是在跨数据中心部署的分片集群中，不同数据中心之间的网络延迟会进一步放大这种延迟，影响系统的响应时间。