4.5　ACID原則與多階段提交

1.ACID原則

ACID，即Atomicity（原子性）、Consistency（一致性）、Isolation（隔離性）、Durability（持久性）四種特性的縮寫。

ACID也是一種比較著名的描述一致性的原則，通常出現(xiàn)在分布式數(shù)據(jù)庫等基于事務(wù)過程的系統(tǒng)中。具體來說，ACID原則描述了分布式數(shù)據(jù)庫需要滿足的一致性需求，同時允許付出可用性的代價。四種特性定義如下。

●Atomicity：每次事務(wù)是原子的，事務(wù)包含的所有操作要么全部成功執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。一旦有操作失敗，則需要回退狀態(tài)到執(zhí)行事務(wù)之前。

●Consistency：數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)在事務(wù)執(zhí)行前后是一致的和完整的，無中間狀態(tài)，即只能處于成功事務(wù)提交后的狀態(tài)。

●Isolation：各種事務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行，但彼此之間互相不影響。按照標(biāo)準(zhǔn)SQL規(guī)范，隔離等級從弱到強可以分為未授權(quán)讀取、授權(quán)讀取、可重復(fù)讀取和串行化四種。

●Durability：狀態(tài)的改變是持久的，不會失效。一旦某個事務(wù)提交，則它造成的狀態(tài)變更就是永久性的。

與ACID相對的一個原則是eBay技術(shù)專家Dan Pritchett提出的BASE（Basic Availability，Soft-state，Eventual consistency）原則。BASE原則面向大型高可用分布式系統(tǒng)，主張犧牲對強一致性的追求，而實現(xiàn)最終一致性，以此換取一定的可用性。

注意

ACID和BASE在英文中分別是“酸”和“堿”，看似對立，實則是對CAP三特性的不同取舍。

2.兩階段提交

對分布式事務(wù)一致性的研究成果包括著名的兩階段提交算法（Two-Phase Commit，2PC）和三階段提交算法（Three-Phase Commit，3PC）。

兩階段提交算法最早由Jim Gray于1979年在論文“Notes on Database Operating Systems”中提出。其基本思想十分簡單，既然在分布式場景下，直接提交事務(wù)可能出現(xiàn)各種故障和沖突，那么可將其分解為預(yù)提交和正式提交兩個階段，規(guī)避沖突的風(fēng)險。

●預(yù)提交：協(xié)調(diào)者（coordinator）發(fā)起提交某個事務(wù)的申請，各參與執(zhí)行者（participant）需要嘗試進(jìn)行提交并反饋是否能完成。

●正式提交：協(xié)調(diào)者如果得到所有執(zhí)行者的成功答復(fù)，則發(fā)出正式提交請求。如果成功完成，則算法執(zhí)行成功。

在此過程中任何步驟出現(xiàn)問題（例如預(yù)提交階段有執(zhí)行者回復(fù)預(yù)計無法完成提交），則需要回退。

兩階段提交算法因為其簡單容易實現(xiàn)的優(yōu)點，在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，其缺點也很明顯：整個過程因需要同步阻塞而導(dǎo)致性能一般較差；存在單點問題，較壞情況下可能一直無法完成提交；可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致的情況（例如協(xié)調(diào)者和執(zhí)行者在第二個階段出現(xiàn)故障）。

3.三階段提交

三階段提交針對兩階段提交算法第一階段中可能阻塞部分執(zhí)行者的情況進(jìn)行了優(yōu)化。具體來說，將預(yù)提交階段進(jìn)一步拆成兩個步驟：嘗試預(yù)提交和預(yù)提交。

三階段提交完整過程如下：

●嘗試預(yù)提交。協(xié)調(diào)者詢問執(zhí)行者是否能提交某個事務(wù)。執(zhí)行者需要返回答復(fù)，但無須執(zhí)行提交。這就避免出現(xiàn)部分執(zhí)行者被無效阻塞的情況。

●預(yù)提交。協(xié)調(diào)者檢查收集到的答復(fù)，如果全部為真，則發(fā)起提交事務(wù)請求。各參與執(zhí)行者需要嘗試進(jìn)行提交并反饋是否能完成。

●正式提交。協(xié)調(diào)者如果得到所有執(zhí)行者的成功答復(fù)，則發(fā)出正式提交請求。如果成功完成，則算法執(zhí)行成功。

其實，無論兩階段還是三階段提交，都只是一定程度上緩解了提交沖突的問題，并無法一定保證系統(tǒng)的一致性。首個有效的算法是后來提出的Paxos算法。