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04- MongoDB 集群中的数据一致性和隔离性保证

1、writeConcern

1.1 MongoDB的应答机制

1. 定义：MongoDB应答机制指数据库将写入成功与否告知客户端（db.getLastError()）。
   流程：客户端发出写入请求 → MongoDB Server 端写入 → 通知客户端写入结果。
2. 应答机制类型：
   • 应答式写入（默认，安全写入，适用于强一致性场景）
   • 非应答式写入（非安全写入，适用于弱一致性场景）
3. 实现方式：通过 writeConcern 实现，客户端驱动调用db.getLastError()方法，错误返回客户端。

1.2 什么是writeConcern

1. 定义：Write Concern 描述了 MongoDB 写入到 mongod 单实例、副本集或分片集群时何时应答客户端。决定写操作落到多少个节点上才算成功，类似于 MySQL 的半同步复制，保证数据最终一致性。
2. 配置：
   • 支持客户端灵活配置写入策略。
   • 从 MongoDB 4.4 开始，副本集和分片集群支持设置全局默认 writeConcern（使用setDefaultRWConcern）。

1.3 setDefaultRWConcern

1. 作用：设置全局默认的 writeConcern 和 readConcern。
2. 使用方式：

   // 设置全局默认 writeConcerndb.adminCommand({"setDefaultRwConcern":1,"defaultWriteConcern":{"w":2}});// 设置全局默认 readConcerndb.adminCommand({"setDefaultRwConcern":1,"defaultReadConcern":{"level":"majority"}});

1.4 journal日志

1. 定义：Journal 是存储引擎的预写日志（WAL，类似 MySQL Redo log）。MongoDB 每 n（2~300）毫秒刷盘一次。
2. 开启方式：
   • 方式1：storage.journal.enabled决定是否开启；storage.journal.commitInternalMs决定刷盘间隔（默认 100ms）。
   • 方式2：写入时指定writeConcern为{j: true}，确保每次写入 journal 刷盘。

1.5 writeConcern测试

1.5.1 非应答式写入图示

MongoDB 不对客户端应答，驱动仅检查套接字、网络错误等。

1.5.2 应答式写入图示

默认方式。MongoDB 在内存中应用写入后应答，但不保证数据已写入磁盘。

1.5.3 带journal应答式写入图示

确认写操作已写入 journal 日志后才应答客户端。

1.5.4 副本集应答写入图示

缺省仅从主节点应答。建议修改为特定节点数或 majority 以保证可靠性。

1.6 注意事项

• writeConcern 是性能与强一致性的权衡，需根据业务场景设定。
• 通常设置w: "majority"，避免设置总节点数。
• 重要数据建议{w: "majority", j: true}，普通数据可用{w: 1}以保证性能。

2、readPreference 读配置

2.1 介绍

readPreference 控制客户端从副本集的哪个节点读取数据，支持读写分离、就近读取等策略。

构成：

• read preference mode
• tag set list
• maxStalenessSeconds
• hedged read（MongoDB 4.4+ 分片集群）

read preference mode 可选值：

• primary：仅从主节点读（默认）
• primaryPreferred：优先从主节点，不可用时从 secondary
• secondary：仅从 secondary 读
• secondaryPreferred：优先从 secondary，不可用时从 primary
• nearest：根据网络延迟就近读取

2.2 readPreference 场景举例

• 用户下单后跳转订单详情页 →primary/primaryPreferred
• 查询历史订单 →secondary/secondaryPreferred
• 生成报表 →secondary
• 全球图片分发 →nearest

2.3 readPreference 与 Tag

Tag 可将节点选择控制到特定节点。例如，为线上节点打 tag{purpose: "online"}，为报表节点打 tag{purpose: "analyse"}。

2.4 readPreference 配置使用

• 连接串参数：mongodb://host1:27017/?replicaSet=rs&readPreference=secondary
• 驱动程序 API：MongoCollection.withReadPreference(ReadPreference readPref)
• Mongo Shell：db.getMongo().setReadPref('secondary')

2.5 实验：从节点读

1. 主节点写入数据。
2. 锁定从节点写入（db.fsyncLock()）。
3. 主节点再次写入。
4. 分别设置读偏好为primary和secondary查询，观察结果。
5. 解锁从节点（db.fsyncUnlock()）后再查询。

2.6 注意事项

• 指定primary时，若主节点故障则无法读取，建议使用primaryPreferred。
• 使用 Tag 时需考虑单点故障，多个节点可设置相同 Tag 以提高可用性。
• 报表节点可设置优先级为 0，避免成为主节点。

3、readConcern 读隔离性保证

3.1 什么是 readConcern？

readConcern 决定从节点读取哪些数据，保证事务隔离性，避免脏读。

配置：

• 支持客户端灵活配置。
• 从 MongoDB 4.4 开始支持全局默认设置。

可选值：

• available：读取所有可用数据（可能回滚）
• local：读取当前分片可用数据（默认从 primary/secondary 读）
• majority：读取大多数节点已提交的数据（需 WiredTiger 引擎）
• snapshot：读取最近快照中的数据
• linearizable：可线性化读取

3.2 readConcern: local 和 available

在副本集中两者无区别，区别体现在分片集群：

• local：只读取当前分片负责的数据。
• available：读取当前分片上所有数据（包括迁移中的数据）。

3.3 readConcern: majority

只读取大多数节点已提交的数据，通过 MVCC 多版本机制实现。

3.4 实验：readConcern “majority” vs “local”

1. 锁定从节点写入（模拟延迟）。
2. 主节点写入数据。
3. 使用local可立即读到数据，使用majority需等待多数节点确认。

3.5 readConcern: majority 与脏读

使用{readConcern: "majority"}可避免读取未提交（可能回滚）的数据。

3.6 如何实现安全的读写分离

写入时使用{writeConcern: {w: "majority"}}，读取时使用{readConcern: "majority"}可确保读到已提交的数据。

3.7 读隔离性和 MySQL 的对比

readConcern: "majority"对应 MySQL 的 Read Committed 隔离级别。

4、MongoDB的ACID事务支持

4.1 介绍

MongoDB 从 4.2 开始全面支持多文档事务，但应谨慎使用，优先通过设计文档模型避免事务。

4.2 MongoDB ACID 多文档事务支持

4.3 使用方法

try(clientSession clientSession=client.startSession()){clientSession.startTransaction();collection.insertOne(clientSession,docOne);collection.insertOne(clientSession,docTwo);clientSession.commitTransaction();}

4.4 事务的隔离级别

• 事务外操作无法访问事务内未提交的修改。
• 使用{readConcern: "snapshot"}可实现可重复读（Repeatable Read）。

4.5 实验：启用事务后的隔离性

事务内修改数据，事务外查询不到未提交的更改。

4.6 实验：可重复读 Repeatable Read

使用{readConcern: "snapshot"}的事务内多次读取同一文档，结果一致。

4.7 事务写机制

• 事务内修改的文档若在事务外被修改，事务提交时会触发 Abort 错误，需重试。
• 事务外修改事务内正在操作的文档会等待事务完成。

4.8 注意事项

• 需使用兼容 MongoDB 4.2 的驱动。
• 事务默认需在 60 秒内完成。
• 事务涉及的分片不能使用仲裁节点。
• 多文档事务中的读操作必须使用主节点读。
• 必须是 WiredTiger 引擎才支持事务。