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1、事务简介

如上所述，事务是数据库中处理的逻辑单元，包括一个或多个数据库操作，既可以是读操作，也可以是写操作。在某些情况下，作为这个逻辑处理单元的一部分，应用程序可能需要对多个文档（在一个或多个集合中）进行读写。事务的一个重要方面是它永远不会只完成一部分——它要么成功，要么失败。

要使用事务，你所部署的 MongoDB 必须是MongoDB 4.2 或更高版本，MongoDB 的驱动程序必须更新为 MongoDB 4.2 或更高版本。MongoDB 提供了一个驱动程序兼容性参考页面，可以用来确保 MongoDB驱动程序版本的兼容性。

1.1、ACID的定义

ACID 是一个“真正”事务所需要具备的一组属性集合。ACID 是原子性（atomicity）​、一致性（consistency）​、隔离性（isolation）和持久性（durability）的缩写。ACID 事务可以保证数据和数据库状态的有效性，即使在出现断电或其他错误的情况下也是如此。

原子性确保了事务中的所有操作要么都被应用，要么都不被应用。事务永远不能应用部分操作，要么被提交，要么被中止。

一致性确保了如果事务成功，那么数据库将从一个一致性状态转移到下一个一致性状态。

隔离性是允许多个事务同时在数据库中运行的属性。它保证了一个事务不会查看到任何其他事务的部分结果，这意味着多个事务并行运行与依次运行每个事务所获得的结果相同。

当数据库满足所有这些属性并且只有成功的事务才会被处理时，它就被称为是符合 ACID 的数据库。如果在事务完成之前发生故障，那么 ACID 确保不会更改任何数据。

MongoDB 是一个分布式数据库，它支持跨副本集和/或分片的 ACID 事务。网络层增加了额外的复杂性。MongoDB 的工程团队提供了一些记录和谈话视频，描述了他们是如何实现支持 ACID 事务的必要特性的。

2、如何使用事务

MongoDB 提供了两种 API 来使用事务。

• 第一种是与关系数据库类似的语法（如 start_transaction 和commit_transaction）​，称为核心 API；
• 第二种称为回调 API，这是使用事务的推荐方法。

核心 API 不为大多数错误提供重试逻辑，它要求开发人员为操作、事务提交函数以及所需的任何重试和错误逻辑手动编写代码。

与核心 API 不同，回调 API 提供了一个单独的函数，该函数封装了大量功能，包括启动与指定逻辑会话关联的事务、执行作为回调函数提供的函数以及提交事务（或在出现错误时中止）​。此函数还包含了处理提交错误的重试逻辑。在 MongoDB 4.2 中添加回调 API 是为了简化使用事务的应用程序开发，也便于添加处理事务错误的应用程序重试逻辑。

在这两种 API 中，都是由开发人员负责启动事务使用的逻辑会话。这两种 API 都要求事务中的操作与特定的逻辑会话相关联（例如，将会话传递给每个操作）​。MongoDB 中的逻辑会话会在整个 MongoDB 部署的上下文中跟踪操作的时间和顺序。逻辑会话或服务器端会话是底层框架的一部分，其被客户端会话用于支持MongoDB 中的可重试写入和因果一致性——这两个特性都是作为支持事务所需基础的一部分在 MongoDB 3.6中添加的。在 MongoDB 中，一个特定的读写操作序列被定义为因果一致的客户端会话，它们的顺序反映了因果关系。客户端会话由应用程序启动，并用于与服务器端会话进行交互。

2019 年，MongoDB 的 6 位高级工程师在 SIGMOD 2019 会议上发表了一篇论文，即“Implementation ofCluster-wide Logical Clock and Causal Consistencyin MongoDB”​。该论文为 MongoDB 中的逻辑会话和因果一致性背后的机制提供了更深层次的技术解释，记录了一个跨越多个团队历时多年的工程项目的成果。这项工作包括更改存储层的多个方面、添加新的复制共识协议、修改分片架构、重构分片集群元数据以及添加一个全局逻辑时钟。这些更改为数据库添加符合 ACID 的事务特性提供了必要的基础。

作者是负责分片的软件工程师 Misha Tyulenev、分布式系统副总裁 Andy Schwerin、分布式系统首席产品经理Asya Kamsky、负责分片的高级软件工程师 RandolphTan、分布式系统产品经理 Alyson Cabral，以及负责分片的软件工程师 Jack Mulrow。

应用程序中的复杂性和所需的额外编码是推荐使用回调 API 而不使用核心 API 的主要原因。下表对它们之间的差异进行了简单总结。

为了理解这两种 API 之间的差异，可以使用一个电子商务网站的简单事务示例来进行比较。在这个示例中，需要在该电子商务网站上下订单，并且相应的产品在销售时应从可用库存中删除。这会涉及单个事务中不同集合的两个文档。这两个操作将是该事务示例的核心：

orders.insert_one({"sku":"abc123","qty":100},session=session)inventory.update_one({"sku":"abc123","qty":{"$gte":100}},{"$inc":{"qty":-100}},session=session)

首先了解如何在这个事务示例中使用 Python 中的核心API。事务的两个操作显示在了如下程序的步骤 1 中：

# 使用DNS种子列表连接格式为连接定义uriString uri='mongodb+srv://server.example.com/'client=MongoClient(uriString)my_wc_majority=WriteConcern('majority',wtimeout=1000)# 前提条件/步骤0：如果集合不存在，就创建集合 # 事务中的CRUD操作必须在已存在的集合中进行 client.get_database("webshop",write_concern=my_wc_majority).orders.insert_one({"sku":"abc123","qty":0})client.get_database("webshop",write_concern=my_wc_majority).inventory.insert_one({"sku":"abc123","qty":1000})# 步骤1：在事务中定义操作及其顺序 defupdate_orders_and_inventory(my_session):orders=my_session.client.webshop.orders inventory=my_session.client.webshop.inventorywithmy_session.start_transaction(read_concern=ReadConcern("snapshot"),write_concern=WriteConcern(w="majority"),read_preference=ReadPreference.PRIMARY):orders.insert_one({"sku":"abc123","qty":100},session=my_session)inventory.update_one({"sku":"abc123","qty":{"$gte":100}},{"$inc":{"qty":-100}},session=my_session)commit_with_retry(my_session)# 步骤2：尝试使用重试逻辑运行并提交事务 defcommit_with_retry(session):whileTrue:try:# 提交操作会使用事务开始时设置的写关注 session.commit_transaction()print("Transaction committed.")breakexcept(ConnectionFailure,OperationFailure)asexc:# 可以重试提交ifexc.has_error_label("UnknownTransactionCommitResult"):print("UnknownTransactionCommitResult, retrying ""commit operation ...")continueelse:print("Error during commit ...")raise # 步骤3：尝试使用重试逻辑运行事务函数txn_func defrun_transaction_with_retry(txn_func,session):whileTrue:try:txn_func(session)# 运行事务breakexcept(ConnectionFailure,OperationFailure)asexc:# 如果出现暂时性错误，则重试整个事务ifexc.has_error_label("TransientTransactionError"):print("TransientTransactionError, retrying transaction ...")continueelse:raise # 步骤4：开启一个会话withclient.start_session()asmy_session:# 步骤5：调用函数run_transaction_with_retry并向其传递update_orders_and_inventory 函数的调用和my_session会话，以关联此事务try:run_transaction_with_retry(update_orders_and_inventory,my_session)except Exceptionasexc:# 错误处理。在核心API中没有提供错误处理代码 raise

现在，再看看如何在 Python 中为这个事务示例使用回调API。事务的两个操作显示在了如下程序的步骤 中。

# 使用DNS种子列表连接格式为连接定义uriString uriString='mongodb+srv://server.example.com/'client=MongoClient(uriString)my_wc_majority=WriteConcern('majority',wtimeout=1000)# 前提条件/步骤0：如果集合不存在，就创建集合 # 事务中的CRUD操作必须在已存在的集合中进行 client.get_database("webshop",write_concern=my_wc_majority).orders.insert_one({"sku":"abc123","qty":0})client.get_database("webshop",write_concern=my_wc_majority).inventory.insert_one({"sku":"abc123","qty":1000})# 步骤1：定义回调方法以指定在事务内部执行的操作序列 defcallback(my_session):orders=my_session.client.webshop.orders inventory=my_session.client.webshop.inventory # 重要：必须将会话变量my_session传递给操作 orders.insert_one({"sku":"abc123","qty":100},session=my_session)inventory.update_one({"sku":"abc123","qty":{"$gte":100}},{"$inc":{"qty":-100}},session=my_session)# 步骤2：启动客户端会话withclient.start_session()assession:# 步骤3：使用with_transaction启动事务、执行回调并提交（或在发生错误时中止） session.with_transaction(callback,read_concern=ReadConcern('local'),write_concern=my_write_concern_majority,read_preference=ReadPreference.PRIMARY)

在 MongoDB 的多文档事务中，只能对已存在的集合或数据库执行读写（CRUD）操作。如示例所示，如果希望将操作加入事务中，则必须首先在事务之外创建集合。在事务中不允许创建、删除集合或者进行索引操作。

3、对应用程序的事务限制进行调优

在使用事务时，有几个重要的参数需要注意。可以对它们进行调整，以确保应用程序能够最佳地使用事务。

3.1、时间和oplog大小限制

在 MongoDB 事务中有两类主要的限制。第一类与事务的时间限制有关，控制特定事务可以运行多长时间、事务等待获取锁的时间以及所有事务将运行的最大长度。第二类与 MongoDB 的 oplog 条目和单个条目的大小限制有关。

3.1.1、时间限制

事务的默认最大运行时间是 1 分钟。可以通过在mongod 实例级别上修改transactionLifetimeLimitSeconds的限制来增加。对于分片集群，必须在所有分片副本集成员上设置该参数。超过此时间后，事务将被视为已过期，并由定期运行的清理进程中止。清理进程每 60 秒或每transactionLifetimeLimitSeconds/2运行一次，以较小的值为准。

要显式设置事务的时间限制，建议在提交事务时指定maxTimeMS参数。如果maxTimeMS没有设置，那么将使用transactionLifetimeLimitSeconds；如果设置了maxTimeMS，但这个值超过了transactionLifetimeLimitSeconds，那么还是会使用transactionLifetimeLimitSeconds。

事务等待获取其操作所需锁的默认最大时间是 5 毫秒。可以通过修改由maxTransactionLockRequestTimeoutMillis参数控制的限制来增加。如果事务在此期间无法获得锁，则该事务会被中止。

maxTransactionLockRequestTimeoutMillis可以设置为 0、-1 或大于 0 的数字。将其设置为 0 意味着，如果事务无法立即获得所需的所有锁，则该事务会被中止。设置为 -1 将使用由 maxTimeMS 参数所指定的特定于操作的超时时间。任何大于 0 的数字都将等待时间配置为该时间（以秒为单位）以作为事务尝试获取所需锁的指定时间段。

3.1.2、oplog 大小限制

MongoDB 会创建出与事务中写操作数量相同的oplog 条目。但是，每个 oplog 条目必须在 16MB 的BSON 文档大小限制之内。

事务为 MongoDB 的一致性提供了一个有用的特性，但是它们应该与富文档模型结合使用。该模型的灵活性以 及使用设计模式等最佳实践有助于避免在大多数情况下使用事务。事务是一个强大的特性，最好在应用程序中谨慎使用。