虹科干貨 | 什么是數(shù)據(jù)庫一致性？

數(shù)據(jù)庫一致性（database consistency）由一組值定義，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)點都必須與這些值保持一致，才能正確讀取和接受數(shù)據(jù)。如果任何不符合先決條件值的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)集出現(xiàn)一致性錯誤。數(shù)據(jù)庫一致性通過建立規(guī)則來實現(xiàn)。任何寫入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)事務(wù)都只能按照數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員制定的規(guī)則，包括特定約束、觸發(fā)器、變量、級聯(lián)等來更改受影響的數(shù)據(jù)。

例如，假設(shè)您某地區(qū)的交通安全研究所工作。您的任務(wù)是創(chuàng)建一個新駕照數(shù)據(jù)庫。在過去的十年中，該地區(qū)的人口激增，因此需要為所有首次申領(lǐng)駕照的人提供新的字母和數(shù)字格式。在您的數(shù)據(jù)庫中，該地區(qū)駕照的新設(shè)定值如下：1個字母+ 7個數(shù)字，現(xiàn)在每個條目都必須遵循這一規(guī)則。如果輸入"C08846024"，則返回錯誤。為什么？因為輸入的值是1個字母+8個數(shù)字，這實質(zhì)上是一種不一致的數(shù)據(jù)形式。

一致性還意味著，一個表中任何一個特定對象的任何數(shù)據(jù)更改都需要在該對象所在的所有其他表中進(jìn)行更改。繼續(xù)以駕照為例，如果駕駛員的家庭地址發(fā)生變化，則必須在所有存在該地址的表中體現(xiàn)該更新。如果一個表中是舊地址，而其他所有表中卻是新地址，這也是數(shù)據(jù)不一致的典型例子。

注意：數(shù)據(jù)庫一致性并不保證在任何給定事務(wù)中引入的數(shù)據(jù)是正確的，它只保證在系統(tǒng)中寫入和讀取的數(shù)據(jù)符合所有有資格進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)的先決條件。更簡單地說，在上面的示例中，您可以輸入符合1個字母+ 7個數(shù)字規(guī)則的數(shù)據(jù)事務(wù)，但這并不能保證數(shù)據(jù)與實際的駕照相對應(yīng)。數(shù)據(jù)庫一致性并不考慮數(shù)據(jù)所代表的內(nèi)容，只考慮其格式。

為什么數(shù)據(jù)庫一致性很重要？

一致的數(shù)據(jù)使數(shù)據(jù)庫能夠像運轉(zhuǎn)良好的機器一樣運行。已建立的規(guī)則/值可將不一致的數(shù)據(jù)排除在主數(shù)據(jù)庫和副本之外，從而保持其操作順利：

準(zhǔn)確性

增加數(shù)據(jù)庫空間

更快、更高效的數(shù)據(jù)檢索

數(shù)據(jù)庫一致性對所有輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。因此，盡管數(shù)據(jù)庫在接受新數(shù)據(jù)時會發(fā)生變化，但它至少會根據(jù)一開始制定的驗證規(guī)則一致地發(fā)生變化。如今，全球每天都有數(shù)十億美元的決策是根據(jù)數(shù)據(jù)庫的一致性做出的。當(dāng)實時信息成為現(xiàn)代數(shù)字業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)時，制定驗證規(guī)則以確保數(shù)據(jù)集沒有錯誤信息就顯得至關(guān)重要。因為數(shù)據(jù)錯誤增加延遲，損害實時體驗。

數(shù)據(jù)庫一致性示例

現(xiàn)實世界中有哪些數(shù)據(jù)庫一致性操作的例子？我們已經(jīng)在上文的駕照數(shù)據(jù)庫場景中探討了一個例子?，F(xiàn)在我們轉(zhuǎn)向銀行業(yè)看看。

假設(shè)您正在將資金從一個賬戶轉(zhuǎn)入另一個賬戶。您剛剛將12000元轉(zhuǎn)入一個已有3000元的賬戶中。假設(shè)正確刷新后，賬戶余額會顯示為15000元。但是，新余額現(xiàn)在顯示為0元，說明最新的操作并沒有反映在您的余額中。這種技術(shù)上的疏忽是數(shù)據(jù)庫弱一致性的一個典型例子。諸如此類的問題可能會損害銀行聲譽并造成巨大損失。對于任何行業(yè)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員和消費者來說，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的強一致性正變得越來越不可或缺。

強一致性 vs 弱一致性

強一致性：主節(jié)點、副本及其所有相應(yīng)節(jié)點中的所有數(shù)據(jù)都符合驗證規(guī)則，并且在任何給定時間內(nèi)都是相同的。有了強數(shù)據(jù)庫一致性，無論從哪個客戶端訪問數(shù)據(jù)—客戶將始終看到遵循數(shù)據(jù)庫既定規(guī)則的更新版本數(shù)據(jù)。

弱一致性：無法保證主節(jié)點、副本節(jié)點或節(jié)點中的數(shù)據(jù)在任何時刻都是相同的。某個客戶可以訪問數(shù)據(jù)，并看到通過驗證規(guī)則的信息，但可能不是最近更新的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致一致性錯誤。

Redis Enterprise（Redis企業(yè)版數(shù)據(jù)庫）的Active-Active地理分布允許多個主數(shù)據(jù)庫，使您能夠靈活地處理越來越大的工作負(fù)載。所謂"Active-Active"，是指數(shù)據(jù)庫的每個實例都可以接受對任何鍵的讀寫操作。每個數(shù)據(jù)庫實例，無論距離多遠(yuǎn)，都是網(wǎng)絡(luò)上的一個對等節(jié)點。這意味著，當(dāng)對任何實例進(jìn)行寫操作時，該節(jié)點會自動向網(wǎng)絡(luò)上的所有其他實例發(fā)送消息，說明緩存中的哪些內(nèi)容發(fā)生了更改，并確保所有實例保留一致的緩存數(shù)據(jù)集。

Redis Enterprise獨特的Active-Active地理分布采用了復(fù)雜的算法，旨在處理可能導(dǎo)致緩存不一致的潛在寫入沖突。這些算法基于無沖突復(fù)制數(shù)據(jù)類型（CRDT），確保來自多個副本的寫入數(shù)據(jù)能夠以有效保持一致性的方式進(jìn)行合并。

虹科是Redis企業(yè)版數(shù)據(jù)庫中國區(qū)戰(zhàn)略合作伙伴，可為您提供技術(shù)支持和解決方案服務(wù)。Redis企業(yè)版軟件（Redis Enterprise）是企業(yè)級的數(shù)據(jù)庫軟件，也是一款實時數(shù)據(jù)平臺，為全球超過8500家知名企業(yè)提供實時數(shù)據(jù)服務(wù)。具有線性可擴(kuò)展性、高可用性、持久性、備份和恢復(fù)、地理分布、分層內(nèi)存訪問、多租戶、安全性等8大核心功能、擁有RediSearch、RedisJSON等7大【Redis企業(yè)版特有模塊】，可以任何規(guī)模在云、本地和混合部署中運行現(xiàn)代應(yīng)用程序，提供無服務(wù)器、多模型的數(shù)據(jù)庫解決方案。

一致性級別

一致性級別是另一組先決條件值，它決定了有多少個副本或節(jié)點必須響應(yīng)新的允許數(shù)據(jù)，然后才被確認(rèn)為有效事務(wù)。這種操作可以根據(jù)每筆事務(wù)進(jìn)行更改。例如，程序員可以規(guī)定，在確認(rèn)數(shù)據(jù)一致性之前，只有兩個節(jié)點需要讀取新輸入的數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)跨過了這個界限，它就會被認(rèn)為是一致的數(shù)據(jù)。

隔離級別

隔離級別是數(shù)據(jù)庫ACID（原子性、一致性、隔離性、持久性）屬性的一部分。ACID是SQL數(shù)據(jù)庫一致性的基本概念，也是某些數(shù)據(jù)庫為優(yōu)化數(shù)據(jù)庫一致性而遵循的基本概念。隔離（Isolation）是ACID屬性之一，它將某些數(shù)據(jù)塊與特定數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)中的所有信息隔離開來，使其不會被其他用戶事務(wù)修改。隔離被用來減少并發(fā)事務(wù)中產(chǎn)生的無關(guān)數(shù)據(jù)的讀寫。

有四種類型的隔離級別：

（1）未提交讀?。鹤畹图墑e。如果前一個事務(wù)對該行進(jìn)行了未提交更新，則停止該行的更新。

（2）已提交讀取：不允許"臟讀"。如果事務(wù)已經(jīng)更新，但尚未提交，則會阻止任何讀取或?qū)懭搿?/p>

（3）可重復(fù)讀?。涸摷墑e使正在讀取的數(shù)據(jù)行不會被訪問和更新。

（4）可序列化：最高隔離級別，可序列化通常鎖定整個表，而不是特定的數(shù)據(jù)行。

復(fù)制過程中的一致性

Redis企業(yè)版數(shù)據(jù)庫軟件能夠?qū)?shù)據(jù)復(fù)制到另一個數(shù)據(jù)庫實例，以獲得高可用性，并將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)永久持久化到磁盤上，以獲得持久性。使用WAIT命令，可以控制復(fù)制和持久化數(shù)據(jù)庫的一致性和持久性保證。

向數(shù)據(jù)庫發(fā)布的任何更新通常按以下流程執(zhí)行：

（1）應(yīng)用程序發(fā)出寫操作

（2）代理與系統(tǒng)中包含給定鍵的正確主（也稱為“master”）"分片"通信

（3）分片寫入數(shù)據(jù)并向代理發(fā)送回執(zhí)

（4）代理將回執(zhí)發(fā)送給應(yīng)用程序

（5）主分片向副本發(fā)送寫入信息

（6）副本將寫入確認(rèn)發(fā)回給主服務(wù)器

（7）寫入副本的內(nèi)容被持久化到磁盤上

（8）副本內(nèi)部確認(rèn)寫入

使用WAIT命令，應(yīng)用程序可以要求僅在復(fù)制或持久性在副本上確認(rèn)后等待確認(rèn)。

命令的寫操作流程如下所示：

（1）應(yīng)用程序發(fā)出寫操作

（2）代理與系統(tǒng)中包含給定key的正確主 "分片"通信

（3）復(fù)制將更新傳遞給副本分片

（4）復(fù)制將更新持久化到磁盤（假設(shè)選擇了每次寫入都自動更新）

（5-8）通過步驟5至8，確認(rèn)從副本一直發(fā)回代理。

通過此流程，應(yīng)用程序只有在復(fù)制到副本和持久化存儲實現(xiàn)耐久性后，才能從寫入中獲得確認(rèn)。

使用WAIT命令，應(yīng)用程序可以保證，在節(jié)點故障或節(jié)點重新啟動的情況下也會記錄已確認(rèn)的寫入。

數(shù)據(jù)庫一致性常見問題解答（QA）

Q：數(shù)據(jù)一致性意味著什么？

A：如果數(shù)據(jù)在同一時間出現(xiàn)在所有相應(yīng)的節(jié)點中，無論用戶在哪里訪問數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)都是一致的。

Q：數(shù)據(jù)一致性與數(shù)據(jù)庫一致性是一回事嗎？

A：數(shù)據(jù)一致性是指數(shù)據(jù)在整個網(wǎng)絡(luò)中以及在使用該數(shù)據(jù)的眾多應(yīng)用程序之間盡可能保持一致的過程。數(shù)據(jù)庫一致性要求對進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)制定驗證規(guī)則，以使其在公式上與表中的所有其他數(shù)據(jù)保持一致。

Q：什么是最終一致性？

A：通過最終一致性，經(jīng)過更新的數(shù)據(jù)最終將反映在存儲該數(shù)據(jù)的所有節(jié)點中。最終，通過最終一致性，無論任何客戶端在網(wǎng)絡(luò)中訪問數(shù)據(jù)，所有節(jié)點都將生成相同的數(shù)據(jù)。

Q：關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的單個表包括？

A：關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)都存儲在表中，表由行和列組成。數(shù)據(jù)點被組織在這些行和列中。行通常被稱為 "記錄"，代表數(shù)據(jù)類別，而列或 "字段 "則代表 "實例"。在數(shù)據(jù)庫中可以找到表格，其基于主題的設(shè)計有助于防止數(shù)據(jù)冗余。

Q：關(guān)系數(shù)據(jù)庫由哪些部分組成？

A：關(guān)系數(shù)據(jù)庫由表組成

Q：ACID模型與BASE模型相比有何不同？

A：ACID和BASE（基本可用、軟狀態(tài)、最終一致）模型之間的主要區(qū)別在于，ACID致力于優(yōu)化數(shù)據(jù)庫一致性，而BASE則加強高可用性。ACID可保持事務(wù)一致性，因此如果您采用BASE模型，請確保一致性仍是重中之重，并得到徹底解決。

Q：Redis數(shù)據(jù)庫是否一致？

A：當(dāng)Redis用作緩存時，一致性問題可能發(fā)生在Redis實例（主/副本）之間，以及Redis緩存和作為主數(shù)據(jù)庫的Redis之間。在這種情況下，如果兩者之間的數(shù)據(jù)不匹配，數(shù)據(jù)就會不一致。對于開源Redis來說，一致性較弱，但Redis Enterprise的Active-Active Geo-Distribution提供了較強的最終一致性。

審核編輯 黃宇