YugabyteDB分布式事务架构深度解析

YugabyteDB分布式事务架构深度解析

yugabyte-db yugabyte/yugabyte-db: 是 YugaByte DB 的官方仓库，一个高性能、高可扩展、分布式的 SQL 数据库，支持 PostgreSQL 兼容性。适合对分布式数据库、SQL 数据库和云原生应用的开发者。 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/yu/yugabyte-db

分布式事务基础概念

在分布式数据库系统中，事务是指作为单个逻辑工作单元执行的一系列操作序列。YugabyteDB作为分布式SQL数据库，其事务处理机制具有以下核心特性：

1. 原子性保证：事务中的所有操作要么全部成功提交，要么全部回滚，不存在中间状态
2. 隔离性实现：事务执行过程中的中间状态对其他并发事务不可见
3. 一致性维护：事务执行前后数据库都保持一致性状态
4. 持久性保障：已提交事务的修改将永久保存在数据库中

值得注意的是，在YugabyteDB中，所有更新操作都被视为事务处理，包括：

• 单行更新操作
• 跨节点多行更新操作
• 当启用autocommit模式时，每个SQL语句都作为一个独立事务执行

时间同步机制

分布式环境的时间挑战

在分布式数据库集群中，事务可能需要更新分布在多个节点上的数据行。为了满足ACID特性，这些更新必须在固定时间点上对所有节点立即可见，无论读取请求来自集群中的哪个节点。这要求集群中的所有节点对"全局时间"达成共识。

传统解决方案如NTP同步的物理时钟存在局限性：

• 无法实现完美同步
• 无法准确确定跨节点事件的因果关系

混合逻辑时钟(HLC)解决方案

YugabyteDB采用混合逻辑时钟(Hybrid Logical Clock, HLC)技术，结合了物理时钟和Lamport逻辑时钟的优点：

HLC组成要素：

• 物理时间组件：基于节点的物理时钟(CLOCK_REALTIME)，只能向更高值更新
• 逻辑组件：在相同物理时间下提供事件顺序的单调递增计数器

HLC工作机制：

1. 节点间RPC通信时会交换HLC值
2. 较低HLC的节点会将自己的HLC更新为较高值
3. 当节点物理时间超过HLC的物理组件时，重置逻辑组件为0
4. HLC在节点上始终保持单调递增

这种机制为YugabyteDB的无锁多版本并发控制(MVCC)奠定了基础。

多版本并发控制(MVCC)

YugabyteDB通过MVCC机制在内部维护数据一致性，无需行级锁即可实现事务隔离。

基于混合时间的MVCC实现

YugabyteDB的MVCC实现具有以下特点：

1. 多版本数据存储：每个键对应多个时间戳版本的值
2. 混合时间戳应用：使用混合时间算法分配版本时间戳
3. 因果一致性保证：确保具有因果关系的事件获得递增的时间戳

关键技术优势：

• 读取请求只需等待相关Raft日志条目被复制和应用
• 简化了跨分片事务读取的时间戳选择逻辑
• 支持高效的快照读取

支持的隔离级别

YugabyteDB支持以下事务隔离级别：

1. Read Committed：只能读取已提交的数据
2. Serializable：最高隔离级别，确保事务串行执行效果
3. Snapshot（对应SQL标准中的REPEATABLE READ）：事务内看到一致的快照

显式锁定机制

虽然MVCC能满足大多数场景需求，YugabyteDB仍提供了类似PostgreSQL的行级锁定机制，用于需要显式控制并发访问的特殊场景。

事务执行路径

YugabyteDB根据事务类型自动选择最优执行路径：

单行事务（快速路径）

特点：

• 仅涉及单行更新
• 无需与事务状态表交互
• 性能显著高于分布式事务

支持的SQL操作：

1. 单行INSERT：

INSERT INTO table (columns) VALUES (values);

2. 单行UPDATE（需指定所有主键）：

UPDATE table SET column = value WHERE pk1=val1 AND pk2=val2;

3. 单行UPSERT：

INSERT INTO table (columns) VALUES (values)
    ON CONFLICT DO UPDATE
    SET column = value;

4. 单行DELETE（需指定所有主键）：

DELETE FROM table WHERE pk1=val1 AND pk2=val2;

分布式事务

当事务涉及跨多个tablet（通常位于不同节点）的数据行时，YugabyteDB采用分布式事务路径：

关键组件：

• 事务管理器协调所有操作
• 两阶段提交协议确保原子性
• 分布式快照隔离保证一致性

执行流程：

1. 开始事务并分配全局时间戳
2. 在各参与节点执行操作
3. 准备阶段验证可行性
4. 提交/中止阶段完成最终操作

这种设计使YugabyteDB能够在分布式环境下提供与单机数据库相似的事务语义，同时保持水平扩展能力。

yugabyte-db yugabyte/yugabyte-db: 是 YugaByte DB 的官方仓库，一个高性能、高可扩展、分布式的 SQL 数据库，支持 PostgreSQL 兼容性。适合对分布式数据库、SQL 数据库和云原生应用的开发者。 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/yu/yugabyte-db