WiredTiger存储引擎之五：与事务相关的数据结构以及并发控制机制

前言

WiredTiger存储引擎系列文章将从逻辑正确、内容完整的角度全面介绍WiredTiger存储引擎。本篇是WiredTiger存储引擎系列文章第5篇，前面篇章分别是：

WiredTiger存储引擎之一：基础数据结构分析

WiredTiger存储引擎之二：一个Page的生命周期

WiredTiger存储引擎之三：Checkpoint原理

WiredTiger存储引擎之四：WT工具编译与元数据文件剖析

本篇包含以下内容：

• 与事务相关的数据结构是如何支撑事务的？
• MongoDB事务采取的多版本并发控制机制（MVCC）

事务的数据结构

事务在内存里面也会维护相应的数据结构以支撑事务的并发、回滚、持久化等操作，事务相关的数据结构如下图所示：

图：事务相关的数据结构

上图左边是一个leaf page在内存的数据结构，放在这的目的是为了更好的看到内存里的修改操作与事务的关系，本节重点关注事务的数据结构即WT_TXN，详细描述如下：

id字段

这是事务的全局唯一标识，通过它与具体的操作关联，这样就能知道一个事务里面包含哪些操作。

snapshot_data字段

因为MongoDB使用的是快照隔离级别的事务，这个字段保存事务的快照信息，具体来说它会有snap_min和snap_max两个属性，通过这两个属性能够计算一个事务开始时能够看到的数据范围，每个事务开始时都会构造一个这样的快照。

commit_timestamp字段

表示事务提交的时间。

durable_timestamp字段

表示事务修改的数据已持久化的时间，与具体操作里面的durable_ts字段关联。

prepare_timestamp字段

表示事务开始准备的时间。

WT_TXN_OP字段

包含事务的修改操作，用于事务rollback和生成事务的Journal日志。

logrec字段

表示事务日志的缓存，用于在内存里面保存事务日志（对于MongoDB来Journal日志就是事务日志）。

MVCC并发控制机制

要实现事务间的并发操作，可以使用锁机制或MVCC控制等。

对于WiredTiger来说，使用的是MVCC控制来实现并发的，相较于其它锁机制的并发，MVCC实现的是一种乐观并发机制，因此它较轻量级。

MVCC是通过在内存里面维护一个多版本的行数据（leaf page上的WT_UPDATE结构），也就是说它会将多个写操作，针对同一行记录的修改以不同行版本号的形式保存下来，实现事务的并发。

具体如何实现事务并发与冲突检查，如下图所示：

图：MVCC并发控制机制

详细描述如下：

1) A事务首先从表中读取到要修改的行数据，读取到库存值为100，行记录的版本号为1；

2) B事务也从中读取到要修改的相同行数据，读取库存值为100，行记录版本号为1；

3) A事务修改库存值后提交，同时行记录版本号加1，即变为2，大于一开始读取到的版本号1，A事务可以提交；

4) 但B事务提交时发现此时行记录版本号已经变为2，产生冲突，B事务提交失败；

5) B事务尝试重新提交，此时再读取到的版本号为2，加1，即变为3，不会产生冲突，正常提交B事务。

下面再通过一段代码来分析事务的并发与冲突：

session1 = client.start_session()#开启一个session1
session1.start_transaction()#开启一个事务1
inventory.delete_one({'_id':4}, session=session1)
doc1 = inventory.find_one({'_id': 4},session=session1)
pprint.pprint(doc1)#会输出none，说明在事务里面已经删除


session2 = client.start_session()#再开启一个session2
session2.start_transaction()#在session2中开启一个事务
inventory.delete_one({_id:4}, session=session2)#执行会发生事务冲突


session1.abort_transaction()#终止事务1
session1.end_session()#结束session1
session2.abort_transaction()#终止事务2
session2.end_session()#结束session2


doc2 = inventory.find_one({'_id': 4})#隐式开启第三个session和事务
pprint.pprint(doc2)#在事务外可以找到，说明事务1被终止后，回滚了

其中语句：doc1 = inventory.find_one({'_id': 4},session=session1)，在session1内部查询，数据已被删除，访问不到；

语句：inventory.delete_one({‘_id’:4}, session=session2)，两个未提交的事务（session1和session2中的删除操作），同时修改相同的文档，则产生冲突。

专栏作者：郭远威