ACID事务支持（单文档与多文档事务）

ACID事务的基本概念

ACID是数据库事务的四个关键特性：原子性(Atomicity)、一致性(Consistency)、隔离性(Isolation)和持久性(Durability)。在MongoDB中，事务支持经历了从单文档到多文档的发展过程。4.0版本之前，MongoDB仅在单文档级别保证ACID特性；从4.0版本开始，MongoDB引入了多文档事务支持，使得跨集合、跨文档的操作也能满足ACID要求。

// 单文档事务示例
db.products.updateOne(
  { _id: 1, stock: { $gte: 1 } },
  { $inc: { stock: -1 }, $set: { lastModified: new Date() } }
)

单文档事务的实现

MongoDB在单文档级别天然支持ACID特性。当执行单个文档的写操作时，MongoDB保证该操作要么完全成功，要么完全失败，不会出现部分更新的情况。这种原子性是通过文档级的锁机制实现的。

单文档事务的典型应用场景包括：

• 更新文档中的多个字段
• 向数组添加或删除元素
• 修改嵌套文档的内容

// 单文档事务的复杂操作示例
db.accounts.updateOne(
  { _id: "account1" },
  {
    $inc: { balance: -100 },
    $push: { transactions: { amount: 100, date: new Date(), type: "withdrawal" } }
  }
)

多文档事务的演进

MongoDB 4.0引入了多文档ACID事务支持，最初仅支持副本集部署。4.2版本扩展到了分片集群。多文档事务允许在单个事务中执行跨多个文档、集合甚至数据库的操作。

多文档事务的关键特性：

• 支持读偏好(read preference)和写关注(write concern)
• 最大事务时长默认为60秒(可配置)
• 默认隔离级别为快照隔离(snapshot isolation)

// 多文档事务示例
const session = db.getMongo().startSession();
session.startTransaction({
  readConcern: { level: "snapshot" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

try {
  const accounts = session.getDatabase("bank").accounts;
  accounts.updateOne({ _id: "A" }, { $inc: { balance: -100 } });
  accounts.updateOne({ _id: "B" }, { $inc: { balance: 100 } });
  
  session.commitTransaction();
} catch (error) {
  session.abortTransaction();
  throw error;
} finally {
  session.endSession();
}

事务的性能考量

使用多文档事务会带来一定的性能开销，主要体现在：

1. 事务期间会占用更多的系统资源
2. 需要维护事务状态和日志
3. 可能导致锁争用

最佳实践建议：

• 尽量保持事务简短
• 避免在事务中执行耗时操作
• 合理设置事务超时时间
• 考虑使用retryable writes替代简单事务

// 带有重试逻辑的事务示例
function runTransactionWithRetry(txnFunc, session) {
  while (true) {
    try {
      txnFunc(session);
      break;
    } catch (error) {
      if (error.hasErrorLabel("TransientTransactionError")) {
        continue;
      }
      throw error;
    }
  }
}

事务的隔离级别

MongoDB提供了两种主要的事务隔离级别：

1. 读未提交(read uncommitted) - 默认级别
2. 快照隔离(snapshot isolation) - 通过显式设置readConcern实现

隔离级别的选择会影响：

• 数据一致性
• 并发性能
• 出现脏读、幻读的可能性

// 设置快照隔离级别的事务
const session = db.getMongo().startSession();
session.startTransaction({
  readConcern: { level: "snapshot" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

事务与复制集、分片集群

在复制集环境中，事务的行为相对简单。但在分片集群中，事务涉及更多复杂性：

1. 所有参与事务的分片必须属于同一个副本集
2. 事务不能跨越多个分片键范围
3. 需要协调器来管理跨分片事务

分片集群事务的限制：

• 不能影响超过1000个文档
• 不能持续运行超过操作执行时间限制
• 某些DDL操作不能在事务中执行

// 分片集群中的事务示例
const session = db.getMongo().startSession();
session.startTransaction();

try {
  // 操作必须在同一分片上
  db.orders.insertOne({ _id: 1, item: "abc", price: 100 }, { session });
  db.inventory.updateOne(
    { item: "abc", qty: { $gte: 1 } },
    { $inc: { qty: -1 } },
    { session }
  );
  
  session.commitTransaction();
} catch (error) {
  session.abortTransaction();
  throw error;
}

事务的错误处理

正确处理事务错误对于保证数据一致性至关重要。常见的事务错误包括：

• TransientTransactionError：临时错误，通常可以重试
• UnknownTransactionCommitResult：提交结果未知
• NoSuchTransaction：事务不存在

// 完整的事务错误处理示例
async function transferFunds(from, to, amount) {
  const session = client.startSession();
  
  try {
    await session.withTransaction(async () => {
      const fromAccount = await accounts.findOne({ _id: from }, { session });
      if (fromAccount.balance < amount) {
        throw new Error("Insufficient funds");
      }
      
      await accounts.updateOne(
        { _id: from },
        { $inc: { balance: -amount } },
        { session }
      );
      
      await accounts.updateOne(
        { _id: to },
        { $inc: { balance: amount } },
        { session }
      );
    });
  } catch (error) {
    if (error.errorLabels && error.errorLabels.includes("TransientTransactionError")) {
      console.log("Transient error, retrying...");
      return transferFunds(from, to, amount);
    }
    throw error;
  } finally {
    await session.endSession();
  }
}

事务的监控与诊断

MongoDB提供了多种工具来监控和分析事务性能：

1. 数据库命令：

   • currentOp：查看正在运行的事务
   • serverStatus：获取事务统计信息

2. 日志分析：

   • 事务开始/提交/中止记录
   • 锁获取和释放信息

3. 性能指标：

   • 事务持续时间
   • 事务重试次数
   • 冲突率

// 查看当前运行的事务
db.adminCommand({
  currentOp: true,
  $or: [
    { op: "command", "command.abortTransaction": { $exists: true } },
    { op: "command", "command.commitTransaction": { $exists: true } },
    { op: "command", "command.startTransaction": { $exists: true } }
  ]
})

事务的最佳实践

基于生产环境的经验，使用MongoDB事务时应考虑以下最佳实践：

1. 设计模式：

   • 尽可能使用嵌入式文档减少跨文档操作
   • 考虑使用两阶段提交模式处理复杂场景

2. 性能优化：

   • 将频繁更新的字段放在文档开头
   • 避免在事务中执行集合扫描

3. 应用层处理：

   • 实现重试逻辑处理暂时性错误
   • 设置合理的超时时间

// 两阶段提交模式示例
const transaction = {
  _id: "txn123",
  state: "initial",
  participants: [
    { resource: "accounts", id: "A", action: "withdraw", amount: 100 },
    { resource: "accounts", id: "B", action: "deposit", amount: 100 }
  ],
  lastModified: new Date()
};

// 第一阶段：准备
db.transactions.insertOne(transaction);
db.accounts.updateOne(
  { _id: "A", pendingTransactions: { $ne: "txn123" } },
  { $inc: { balance: -100 }, $push: { pendingTransactions: "txn123" } }
);

// 第二阶段：提交
db.transactions.updateOne(
  { _id: "txn123", state: "initial" },
  { $set: { state: "committed" } }
);
db.accounts.updateOne(
  { _id: "A" },
  { $pull: { pendingTransactions: "txn123" } }
);