CockroachDB：分布式交易与高可用设计解析

"这篇文章主要介绍了分布式数据库CockroachDB的设计与架构，强调其高可用性、全球一致性以及ACID事务支持。" CockroachDB是一个分布式键值存储系统，其核心设计目标是实现全局一致性和高生存能力。系统能够容忍硬盘、机器、机架甚至数据中心的故障，并能在最小的延迟中断下自动恢复，无需人工干预。系统中的节点是对称的，旨在实现单一二进制部署和最少的配置需求。 在数据结构方面，CockroachDB实现了单个、整体排序的键值映射，其中键和值都是字节字符串。系统可线性扩展，理论上支持高达4EB（4艾字节）的逻辑数据。映射由一个或多个范围组成，每个范围的数据存储在RocksDB（LevelDB的一个变种）中，并在三个或更多的Cockroach服务器之间进行复制。范围由起始和结束键定义，并根据全局可配置的最小/最大大小区间进行合并和拆分，以保持理想的范围大小。默认情况下，范围大小目标为64MB，便于快速的合并和拆分，以及在键范围内分散热点负载。 对于单个范围的修改，CockroachDB采用分布式共识算法（选择了Raft算法）来确保一致性。所有共识状态都存储在RocksDB中。 逻辑上的修改可能涉及多对键值对，具有ACID事务语义。如果逻辑修改影响的所有键都在同一个范围内，原子性和一致性由Raft保证，这是快速提交路径。否则，会在受影响的范围之间使用非锁定的分布式提交协议。 CockroachDB提供快照隔离（SI）和可串行化的快照隔离（SSI）语义，允许外部一致且无锁的读写操作，既可以基于历史快照时间戳，也可以基于当前时钟时间。SI提供无锁读写但仍然存在写偏斜问题，而SSI消除了写偏斜，但可能会在高度竞争的系统中导致性能下降。SSI是默认的隔离级别，客户端需要明确选择性能与正确性的权衡。 数据库还支持类似Spanner的目录配置，允许根据需求优化性能和可用性来设置数据的复制因子、存储设备类型和/或数据中心位置。与Spanner不同，Cockroach的区域是整体的，不支持细粒度的实体组级别的数据移动。 CockroachDB还提供了一种类似于Megastore的消息队列机制，用于高效地处理可以异步执行的更新，并为分布式系统组件之间的异步通信提供集成的消息队列系统。 节点存储方面，每个节点都有自身的存储，范围元数据被管理并存储在RocksDB中。范围跨越了一个二叉树结构，通过Raft一致性算法保证范围副本的一致性。范围可以根据需要进行分裂和合并，以适应数据的增长和分布。节点分配是通过八卦协议完成的，确保了动态的网络拓扑调整。 此外，还有键前缀会计、区域和权限设置，以及两种API：键值API和结构化数据API，为用户提供了灵活的访问和操作数据的方式。 CockroachDB是一个可扩展的、支持事务的、地理复制的数据库，旨在提供强一致性和高可用性，同时具备灵活的数据管理和优化策略。