分布式事务及CAP和BASE理论

1、事务概念:
  一组sql语句操作单元,组内所有SQL语句完成一个业务,如果整组成功:意味着全部SQL都实现;如果其中任何一个失败,意味着整个操作都失败。失败,意味着整个过程都是没有意义的。应该是数据库回到操作前的初始状态。这种特性,就叫“事务”。
2、为什么要存在事务?
  1)失败后,可以回到开始位置
    2)没都成功之前,别的用户(进程,会话)是不能看到操作内的数据修改的
3、事务4大特征ACID:

1)原子性[atomicity]
功能不可再分,要么全部成功,要么全部失败

2)一致性[consistency]
一致性是指数据处于一种语义上的有意义且正确的状态。一致性是对数据可见性的约束,保证在一个事务中的多次操作的数据中间状态对其他事务不可见的。因为这些中间状态,是一个过渡状态,与事务的开始状态和事务的结束状态是不一致的。
  举个例子,张三给李四转账100元。事务要做的是从张三账户上减掉100元,李四账户上加上100元。一致性的含义是其他事务要么看到张三还没有给李四转账的状态,要么张三已经成功转账给李四的状态,而对于张三少了100元,李四还没加上100元这个中间状态是不可见的。
我们来看一下转账过程中可能存在的状态:
张三未扣减、李四未收到
张三已扣减、李四未收到
张三已扣减,李四已收到
上述过程中: 1. 是初始状态、2是中间状态、3是最终状态,1和3是我们期待的状态,但是2这种状态却不是我们期待出现的状态。 - 锁
  那么反驳的声音来了:
  要么转账操作全部成功,要么全部失败,这是原子性。从例子上看全部成功,那么一致性就是原子性的一部分咯,为什么还要单独说一致性和原子性?
  你说的不对。在未提交读的隔离级别下是事务内部操作是可见的,明显违背了一致性,怎么解释?
  好吧,需要注意的是:
原子性和一致性的的侧重点不同:原子性关注状态,要么全部成功,要么全部失败,不存在部分成功的状态。一致性关注数据的可见性,中间状态的数据对外部不可见,只有最初状态和最终状态的数据对外可见
  
3)隔离性[isolation]
事务的隔离性是指多个用户并发访问数据库时,一个用户的事务不能被其它用户的事务所干扰,多个并发事务之间数据要相互隔离。
隔离性是多个事务的时候, 相互不能干扰,一致性是要保证操作前和操作后数据或者数据结构的一致性,而我提到的事务的一致性是关注数据的中间状态,也就是一致性需要监视中间状态的数据,如果有变化,即刻回滚
如果不考虑隔离性,事务存在3种并发访问数据问题,也就是事务里面的脏读、不可重复读、虚度/幻读
mysql的隔离级别:读未提交、读已提交、可重复读、串行化
4)持久性[durability]
是事务的保证,事务终结的标志(内存的数据持久到硬盘文件中)

4. 分布式事务

分布式事务顾名思义就是要在分布式系统中实现事务,它其实是由多个本地事务组合而成。简单来说,分布式事务就是一个业务操作,是由多个细分操作完成的,而这些细分操作又分布在不同的服务器上;事务,就是这些操作要么全部成功执行,要么全部不执行。

分布式事务关注的是分布式场景下如何处理事务,是指事务的参与者、支持事务操作的服务器、存储等资源分别位于分布式系统的不同节点之上。

对于分布式事务而言几乎满足不了 ACID,其实对于单机事务而言大部分情况下也没有满足 ACID,不然怎么会有四种隔离级别呢?所以更别说分布在不同数据库或者不同应用上的分布式事务了。

当前数据库的默认事务隔离级别都没有达到隔离性的要求,MySQL、Oracle、PostgreSQL等关系型数据库都是如此。大多数数据库事务隔离级别都默认设置为 READ-COMMITTED,这种事务隔离级别没有解决可重复度和幻读问题。

5. 数据库事务

数据库事务的特性包括原子性(Atomicity)、一致性(Consistency)、隔离性(Isolation)和持久性(Durabilily),简称 ACID。

在数据库执行中,多个并发执行的事务如果涉及到同一份数据的读写就容易出现数据不一致的情况,不一致的异常现象有以下几种。

脏读,是指一个事务中访问到了另外一个事务未提交的数据。例如事务 T1 中修改的数据项在尚未提交的情况下被其他事务(T2)读取到,如果 T1 进行回滚操作,则 T2 刚刚读取到的数据实际并不存在。

不可重复读,是指一个事务读取同一条记录 2 次,得到的结果不一致。例如事务 T1 第一次读取数据,接下来 T2 对其中的数据进行了更新或者删除,并且 Commit 成功。这时候 T1 再次读取这些数据,那么会得到 T2 修改后的数据,发现数据已经变更,这样 T1 在一个事务中的两次读取,返回的结果集会不一致。

幻读,是指一个事务读取 2 次,得到的记录条数不一致。例如事务 T1 查询获得一个结果集,T2 插入新的数据,T2 Commit 成功后,T1 再次执行同样的查询,此时得到的结果集记录数不同。

不同隔离级别

SQL 标准根据三种不一致的异常现象,将隔离性定义为四个隔离级别(Isolation Level),隔离级别和数据库的性能呈反比,隔离级别越低,数据库性能越高;而隔离级别越高,数据库性能越差,具体如下:

分布式事务及CAP和BASE理论(1)Read uncommitted 读未提交

在该级别下,一个事务对数据修改的过程中,不允许另一个事务对该行数据进行修改,但允许另一个事务对该行数据进行读,不会出现更新丢失,但会出现脏读、不可重复读的情况。

(2)Read committed 读已提交

在该级别下,未提交的写事务不允许其他事务访问该行,不会出现脏读,但是读取数据的事务允许其他事务访问该行数据,因此会出现不可重复读的情况。

(3)Repeatable read 可重复读

在该级别下,在同一个事务内的查询都是和事务开始时刻一致的,保证对同一字段的多次读取结果都相同,除非数据是被本身事务自己所修改,不会出现同一事务读到两次不同数据的情况。因为没有约束其他事务的新增Insert操作,所以 SQL 标准中可重复读级别会出现幻读。

值得一提的是,可重复读是 MySQL InnoDB 引擎的默认隔离级别,但是在 MySQL 额外添加了间隙锁(Gap Lock),可以防止幻读。

(4)Serializable 序列化

该级别要求所有事务都必须串行执行,可以避免各种并发引起的问题,效率也最低。

对不同隔离级别的解释,其实是为了保持数据库事务中的隔离性(Isolation),目标是使并发事务的执行效果与串行一致,隔离级别的提升带来的是并发能力的下降,两者是负相关的关系。


1. CAP理论

cap理论是分布式系统的理论基石


一、cap定义

Consistency (一致性):

“all nodes see the same data at the same time”,即更新操作成功并返回客户端后,所有节点在同一时间的数据完全一致,这就是分布式的一致性。一致性的问题在并发系统中不可避免,对于客户端来说,一致性指的是并发访问时更新过的数据如何获取的问题。从服务端来看,则是更新如何复制分布到整个系统,以保证数据最终一致。


Availability (可用性):

可用性指“Reads and writes always succeed”,即服务一直可用,而且是正常响应时间。好的可用性主要是指系统能够很好的为用户服务,不出现用户操作失败或者访问超时等用户体验不好的情况。


Partition Tolerance (分区容错性):

即分布式系统在遇到某节点或网络分区故障的时候,仍然能够对外提供满足一致性和可用性的服务。分区容错性要求能够使应用虽然是一个分布式系统,而看上去却好像是在一个可以运转正常的整体。比如现在的分布式系统中有某一个或者几个机器宕掉了,其他剩下的机器还能够正常运转满足系统需求,对于用户而言并没有什么体验上的影响。


如果你是一个分布式系统,那么你必须要满足一点:分区容错性


二、取舍策略

CAP三个特性只能满足其中两个,那么取舍的策略就共有三种:


分布式事务及CAP和BASE理论


CA without P:如果不要求P(不允许分区),则C(强一致性)和A(可用性)是可以保证的。但放弃P的同时也就意味着放弃了系统的扩展性,也就是分布式节点受限,没办法部署子节点,这是违背分布式系统设计的初衷的。


CP without A:如果不要求A(可用),相当于每个请求都需要在服务器之间保持强一致,而P(分区)会导致同步时间无限延长(也就是等待数据同步完才能正常访问服务),一旦发生网络故障或者消息丢失等情况,就要牺牲用户的体验,等待所有数据全部一致了之后再让用户访问系统。设计成CP的系统其实不少,最典型的就是分布式数据库,如Redis、HBase等。对于这些分布式数据库来说,数据的一致性是最基本的要求,因为如果连这个标准都达不到,那么直接采用关系型数据库就好,没必要再浪费资源来部署分布式数据库。


AP wihtout C:要高可用并允许分区,则需放弃一致性。一旦分区发生,节点之间可能会失去联系,为了高可用,每个节点只能用本地数据提供服务,而这样会导致全局数据的不一致性。典型的应用就如某米的抢购手机场景,可能前几秒你浏览商品的时候页面提示是有库存的,当你选择完商品准备下单的时候,系统提示你下单失败,商品已售完。这其实就是先在 A(可用性)方面保证系统可以正常的服务,然后在数据的一致性方面做了些牺牲,虽然多少会影响一些用户体验,但也不至于造成用户购物流程的严重阻塞。

对比分析

保CA弃P、保CP弃A和保AP弃C这三种策略,以方便你记忆和理解。

分布式事务及CAP和BASE理论


2. Base理论

分布式系统中的一致性是 弱一致性 单数据库 mysql的一致性 强一致性

BASE是Basically Available(基本可用)、Soft state(软状态)和Eventually consistent(最终一致性)三个短语的缩写。BASE理论是对CAP中一致性和可用性权衡的结果,其来源于对大规模互联网系统分布式实践的总结, 是基于CAP定理逐步演化而来的。BASE理论的核心思想是:即使无法做到强一致性,但每个应用都可以根据自身业务特点,采用适当的方式来使系统达到最终一致性。接下来看一下BASE中的三要素:


分布式事务及CAP和BASE理论


1、基本可用


基本可用是指分布式系统在出现不可预知故障的时候,允许损失部分可用性—-注意,这绝不等价于系统不可用。比如:


(1)响应时间上的损失。正常情况下,一个在线搜索引擎需要在0.5秒之内返回给用户相应的查询结果,但由于出现故障,查询结果的响应时间增加了1~2秒


(2)系统功能上的损失:正常情况下,在一个电子商务网站上进行购物的时候,消费者几乎能够顺利完成每一笔订单,但是在一些节日大促购物高峰的时候,由于消费者的购物行为激增,为了保护购物系统的稳定性,部分消费者可能会被引导到一个降级页面


2、软状态


软状态指允许系统中的数据存在中间状态,并认为该中间状态的存在不会影响系统的整体可用性,即允许系统在不同节点的数据副本之间进行数据同步的过程存在延时


3、最终一致性


最终一致性强调的是所有的数据副本,在经过一段时间的同步之后,最终都能够达到一个一致的状态。因此,最终一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致,而不需要实时保证系统数据的强一致性。总的来说,BASE理论面向的是大型高可用可扩展的分布式系统,和传统的事物ACID特性是相反的,它完全不同于ACID的强一致性模型,而是通过牺牲强一致性来获得可用性,并允许数据在一段时间内是不一致的,但最终达到一致状态。但同时,在实际的分布式场景中,不同业务单元和组件对数据一致性的要求是不同的,因此在具体的分布式系统架构设计过程中,ACID特性和BASE理论往往又会结合在一起。


一句话:CAP就是告诉你:想要满足C、A、P就是做梦,BASE才是你最终的归宿


参考:https://www.yuque.com/bobby-zpcyu/bq1fxp/ebqgx0https://www.yuque.com/bobby-zpcyu/bq1fxp/fx422a

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