多版本号并发控制(MVCC)在实际项目中的应用

近期项目中遇到了一个分布式系统的并发控制问题。该问题能够抽象为：某分布式系统由一个数据中心D和若干业务处理中心L1，L2 … Ln组成；D本质上是一个key-value存储，它对外提供基于HTTP协议的CRUD操作接口。L的业务逻辑能够抽象为以下3个步骤：

1. read: 依据keySet {k1, … kn}从D获取keyValueSet {k1:v1, … kn:vn}
2. do: 依据keyValueSet进行业务处理，得到须要更新的数据集keyValueSet’ {k1′:v1′, … km’:vm’} (注：读取的keySet和更新的keySet’可能不同)
3. update: 把keyValueSet’更新到D （注：D保证在一次调用更新多个key的原子性）

在没有事务支持的情况下。多个L进行并发处理可能会导致数据一致性问题。比方。考虑L1和L2的例如以下运行顺序：

1. L1从D读取key:123相应的值100
2. L2从D读取key:123相应的100
3. L1将key:123更新为100 + 1
4. L2将key:123更新为100 + 2

假设L1和L2串行运行，key:123相应的值将为103，但上面并发运行中L1的运行效果全然被L2所覆盖，实际key:123所相应的值变成了102。

解决方式1：基于锁的事务

为了让L的处理具有可串行化特性(Serializability)，一种最直接的解决方式就是考虑为D加上基于锁的简单事务。让L在进行业务处理前先锁定D，完毕以后释放锁。另外，为了防止持有锁的L因为某种原因长时间未提交事务。D还须要具有超时机制，当L尝试提交一个已超时的事务时会得到一个错误响应。

本方案的长处是实现简单，缺点是锁定了整个数据集。粒度太大；时间上包括了L的整个处理时间，跨度太长。尽管我们能够考虑把锁定粒度减少到数据项级别，按key进行锁定，但这又会带来其它的问题。因为更新的keySet’可能是事先不确定的，所以可能无法在開始事务时锁定全部的key。假设分阶段来锁定须要的key。又可能出现死锁(Deadlock)问题。另外，按key锁定在有锁争用的情况下并不能解决锁定时间太长的问题。

所以，按key锁定仍然存在重要的不足之处。

解决方式2：多版本号并发控制

为了实现可串行化。同一时候避免锁机制存在的各种问题。我们能够採用基于多版本号并发控制（Multiversion concurrency control。MVCC）思想的无锁事务机制。人们一般把基于锁的并发控制机制称成为悲观机制，而把MVCC机制称为乐观机制。这是因为锁机制是一种预防性的，读会堵塞写。写也会堵塞读，当锁定粒度较大。时间较长时并发性能就不会太好；而MVCC是一种后验性的，读不堵塞写。写也不堵塞读。等到提交的时候才检验是否有冲突。因为没有锁，所以读写不会相互堵塞，从而大大提升了并发性能。我们能够借用源码版本号控制来理解MVCC。每一个人都能够自由地阅读和改动本地的代码，相互之间不会堵塞，仅仅在提交的时候版本号控制器会检查冲突，并提示merge。

眼下，Oracle、PostgreSQL和MySQL都已支持基于MVCC的并发机制，但详细实现各有不同。

MVCC的一种简单实现是基于CAS（Compare-and-swap）思想的有条件更新（Conditional Update）。普通的update參数仅仅包括了一个keyValueSet’，Conditional Update在此基础上加上了一组更新条件conditionSet { … data[keyx]=valuex, … }，即仅仅有在D满足更新条件的情况下才将数据更新为keyValueSet’。否则。返回错误信息。这样，L就形成了例如以下图所看到的的Try/Conditional Update/(Try again)的处理模式：

尽管对单个L来讲不能保证每次都成功更新，但从整个系统来看，总是有任务能够顺利进行。这样的方案利用Conditional Update避免了大粒度和长时间的锁定。当各个业务之间资源争用不大的情况下，并发性能非常好。只是，因为Conditional Update须要很多其它的參数。假设condition中value的长度非常长，那么每次网络传送的数据量就会比較大，从而导致性能下降。

特别是当须要更新的keyValueSet’非常小。而condition非常大时。就显得非常不经济。

为了避免condition太大所带来的性能问题。能够为每条数据项添加一个int型的版本号号字段，由D维护该版本号号，每次数据有更新就添加版本号号；L在进行Conditional Update时，通过版本号号代替详细的值。

还有一个问题是上面的解决方式假设了D是能够支持Conditional Update的。那么。假设D是一个不支持Conditional Update的第三方的key-value存储怎么办呢？这时，我们能够在L和D之间添加一个P作为代理，全部的CRUD操作都必须经过P。让P来进行条件检查。而实际的数据操作放在D。这样的方式实现了条件检查和数据操作的分离。但同一时候减少了性能，须要在P中添加cache，提升性能。因为P是D的唯一client；所以，P的cache管理是非常easy的，不必像多client情形操心缓存的失效。只是，实际上，据我所知redis和Amazon SimpleDB都已经有了Conditional Update的支持。

悲观锁和MVCC对照

上面介绍了悲观锁和MVCC的基本原理，可是对于它们分别适用于什么场合。不同的场合下两种机制优劣详细表如今什么地方还不是非常清楚。

这里我就对一些典型的应用场景进行简单的分析。须要注意的是以下的分析不针对分布式。悲观锁和MVCC两种机制在分布式系统、单数据库系统、甚至到内存变量各个层次都存在。

### 场景1：对读的响应速度要求高

有一类系统更新特别频繁。而且对读的响应速度要求非常高，如股票交易系统。

在悲观锁机制下。写会堵塞读。那么当有写操作时，读操作的响应速度就会受到影响；而MVCC不存在读写锁。读操作是不受不论什么堵塞的，所以读的响应速度会更快更稳定。

### 场景2：读远多于写

对于很多系统来讲，读操作的比例往往远大于写操作，特别是某些海量并发读的系统。在悲观锁机制下，当有写操作占用锁，就会有大量的读操作被堵塞，影响并发性能；而MVCC能够保持比較高且稳定的读并发能力。

### 场景3：写操作冲突频繁

假设系统中写操作的比例非常高，且冲突频繁，这时就须要细致评估。假设两个有冲突的业务L1和L2，它们在单独运行是分别耗时t1，t2。在悲观锁机制下，它们的总时间大约等于串行运行的时间：

T = t1 + t2

而在MVCC下，假设L1在L2之前更新。L2须要retry一次。它们的总时间大约等于L2运行两次的时间（这里假设L2的两次运行耗时相等。更好的情况是，假设第1次能缓存下部分有效结果，第二次运行L2耗时是可能减小的）：

T’ = 2 * t2

这时关键是要评估retry的代价，假设retry的代价非常低，比方，对某个计数器递增。又或者第二次运行能够比第一次快非常多，这时採用MVCC机制就比較适合。反之。假设retry的代价非常大，比方，报表统计运算须要算几小时甚至一天那就应该採用锁机制避免retry。

从上面的分析。我们能够简单的得出这样的结论：对读的响应速度和并发性要求比較高的场景适合MVCC；而retry代价越大的场景越适合悲观锁机制。

总结

本文介绍了一种基于多版本号并发控制（MVCC）思想的Conditional Update解决分布式系统并发控制问题的方法。和基于悲观锁的方法相比，该方法避免了大粒度和长时间的锁定，能更好地适应对读的响应速度和并发性要求高的场景。

參考

• Wikipedia – Serializability
• Wikipedia – Compare-and-swap
• Wikipedia – Multiversion concurrency control
• Lock-free algorithms: The try/commit/(try again) pattern
• Amazon SimpleDB FAQs – Does Amazon SimpleDB support transactions?

• redis – Transactions
• A Quick Survey of MultiVersion Concurrency Algorithms
• 非堵塞算法思想在关系数据库应用程序开发中的使用