本篇主要介绍一下Elasticsearch的并发控制和乐观锁的实现原理,列举常见的电商场景,关系型数据库的并发控制、ES的并发控制实践。
并发场景
不论是关系型数据库的应用,还是使用Elasticsearch做搜索加速的场景,只要有数据更新,并发控制是永恒的话题。
当我们使用ES更新document的时候,先读取原始文档,做修改,然后把document重新索引,如果有多人同时在做相同的操作,不做并发控制的话,就极有可能会发生修改丢失的。可能有些场景,丢失一两条数据不要紧(比如文章阅读数量统计,评论数量统计),但有些场景对数据严谨性要求极高,丢失一条可能会导致很严重的生产问题,比如电商系统中商品的库存数量,丢失一次更新,可能会导致超卖的现象。
我们还是以电商系统的下单环节举例,某商品库存100个,两个用户下单购买,都包含这件商品,常规下单扣库存的实现步骤
-
客户端完成订单数据校验,准备执行下单事务。
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客户端从ES中获取商品的库存数量。
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客户端提交订单事务,并将库存数量扣减。
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客户端将更新后的库存数量写回到ES。
示例流程图如下:
如果没有并发控制,这件商品的库存就会更新成99(实际正确的值是98),这样就会导致超卖现象。假定http-1比http-2先一步执行,出现这个问题的原因是http-2在获取库存数据时,http-1还未完成下单扣减库存后,更新到ES的环节,导致http-2获取的数据已经是过期数据,后续的更新肯定也是错的。
上述的场景,如果更新操作越是频繁,并发数越多,读取到更新这一段的耗时越长,数据出错的概率就越大。
常用的锁方案
并发控制尤为重要,有两种通用的方案可以确保数据在并发更新时的正确性。
悲观并发控制
悲观锁的含义:我认为每次更新都有冲突的可能,并发更新这种操作特别不靠谱,我只相信只有严格按我定义的粒度进行串行更新,才是最安全的,一个线程更新时,其他的线程等着,前一个线程更新完成后,下一个线程再上。
关系型数据库中广泛使用该方案,常见的表锁、行锁、读锁、写锁,依赖redis或memcache等实现的分布式锁,都属于悲观锁的范畴。明显的特征是后续的线程会被挂起等待,性能一般来说比较低,不过自行实现的分布式锁,粒度可以自行控制(按行记录、按客户、按业务类型等),在数据正确性与并发性能方面也能找到很好的折衷点。
乐观并发控制
乐观锁的含义:我认为冲突不经常发生,我想提高并发的性能,如果真有冲突,被冲突的线程重新再尝试几次就好了。
在使用关系型数据库的应用,也经常会自行实现乐观锁的方案,有性能优势,方案实现也不难,还是挺吸引人的。
Elasticsearch默认使用的是乐观锁方案,前面介绍的_version字段,记录的就是每次更新的版本号,只有拿到最新版本号的更新操作,才能更新成功,其他拿到过期数据的更新失败,由客户端程序决定失败后的处理方案,一般是重试。
ES的乐观锁方案
我们还是以上面的案例为背景,若http-2向ES提交更新数据时,ES会判断提交过来的版本号与当前document版本号,document版本号单调递增,如果提交过来的版本号比document版本号小,则说明是过期数据,更新请求将提示错误,过程图如下:
使用外部_version实战乐观锁控制效果
虽然ElasticSearch的最新本版已经不再支持直接使用version字段实现乐观锁,但仍然允许利用外部版本号version实现乐观锁。
所谓外部版本号version,意思就是version字段的值不是由ElasticSearch自动生成的,而是在创建或修改文档时由应用程序在请求参数中明确指定的。
例如在生产实践中,我们通常使用关系型数据库作为主数据源,将数据从DB同步到ElasticSearch以提供数据搜索服务。而DB中的每行记录都会有update_time字段表示数据最后被更新的时间戳。我们可以利用这个时间戳作为外部版本号,以确保从DB同步数据给ElasticSearch的数据一致性。
删除之前的索引,执行如下命令重新创建一个新的文档;
PUT /book_store/_doc/97876381260?version=1638430097013&version_type=external
{
"title": "零基础学Java",
"ISBN": "97876381260",
"price": 66.88,
"stock": 100
}
version_type参数的值是external,明确指定使用外部版本号作为文档version字段的值。
version参数的值是笔者写这篇文章时的时间戳,会作为文档的version字段的值。
该命令与普通的Index API类似,也是"先尝试创建一个新的文档,如果对应的文档已存在就更新那个文档"。但区别是当且仅当request中的version参数的值大于该文档中version字段的值时才会更新成功,否则就会报错表示并发冲突。
ElasticSearch收到该请求后返回如下结果;可以看到文档version字段的值就是创建文档时提供的外部版本号。
{
"_index" : "book_store",
"_type" : "_doc",
"_id" : "97876381260",
"_version" : 1638430097013,
"result" : "created",
"_shards" : {
"total" : 2,
"successful" : 2,
"failed" : 0
},
"_seq_no" : 0,
"_primary_term" : 1
}
再执行一次与上面完全相同的命令,ElasticSearch会返回如下错误结果;
{
"error" : {
"root_cause" : [
{
"type" : "version_conflict_engine_exception",
"reason" : "[97876381260]: version conflict, current version [1638430097013] is higher or equal to the one provided [1638430097013]",
"index_uuid" : "NUfx6zIrQFGWcgh5NNwP4g",
"shard" : "0",
"index" : "book_store"
}
],
"type" : "version_conflict_engine_exception",
"reason" : "[97876381260]: version conflict, current version [1638430097013] is higher or equal to the one provided [1638430097013]",
"index_uuid" : "NUfx6zIrQFGWcgh5NNwP4g",
"shard" : "0",
"index" : "book_store"
},
"status" : 409
}
从错误原因可以看出,由于提供的版本号参数不大于文档中的版本号,所以导致了并发冲突的异常。
如果我们要更新这个文档,则必须用一个新的外部版本号,且这个外部版本号必须大于文档当前的version字段的值。
使用了一个新的时间戳构造文档更新请求;
PUT /book_store/_doc/97876381260?version=1638435446074&version_type=external
{
"doc": {
"stock": 99
}
}
ElasticSearch收到该请求后返回如下结果;更新成功,且文档version字段的值已经被更新成新的外部版本号了。
{
"_index" : "book_store",
"_type" : "_doc",
"_id" : "97876381260",
"_version" : 1638435446074,
"result" : "updated",
"_shards" : {
"total" : 2,
"successful" : 2,
"failed" : 0
},
"_seq_no" : 1,
"_primary_term" : 1
}
_seq_no & _primary_term
_seq_no 和 _primary_term 是用来并发控制,和 _version
不同,_version
属于当前文档,而 _seq_no
属于整个index。
_seq_no & _primary_term
-
_seq_no :索引级别的版本号,索引中所有文档共享一个
_seq_no
。 -
_primary_term:primary_term是一个整数,每当Primary Shard发生重新分配时,比如节点重启,Primary选举或重新分配等primary_term会递增1。主要作用是用来恢复数据时处理当多个文档的_seq_no 一样时的冲突,避免 Primary Shard 上的数据写入被覆盖。
if_seq_no & if_primary_term
在Elasticsearch中,if_seq_no
和 if_primary_term
是用于乐观锁并发控制的参数,用于确保对文档的操作不会与其他操作产生冲突。
if_seq_no
参数用于指定期望的文档序列号(seq_no),而 if_primary_term
参数用于指定期望的 primary term。这两个参数一起作为条件,如果提供的条件与实际存储的文档序列号和主要项匹配,则操作成功执行;否则,操作将失败并返回版本冲突的错误。
假设我们有一个名为 my_index
的索引,其中包含 _id
为 1
的文档。当前文档的 seq_no
是 10
,primary_term
是 1
。
示例 1:更新文档
PUT my_index/_doc/1?if_seq_no=10&if_primary_term=1
{
"foo": "bar"
}
输出:
{
"_index": "my_index",
"_type": "_doc",
"_id": "1",
"_version": 11,
"result": "updated",
"_shards": {
"total": 2,
"successful": 1,
"failed": 0
}
}
在这个示例中,通过提供正确的 if_seq_no
和 if_primary_term
条件,操作成功地更新了文档,并返回了更新后的版本号 _version
。
示例 2:更新文档,但条件不匹配
PUT my_index/_doc/1?if_seq_no=11&if_primary_term=1
{
"foo": "bar"
}
输出:
{
"error": {
"root_cause": [
{
"type": "version_conflict_engine_exception",
"reason": "[1]: version conflict, current version [11], provided version [11]",
"index_uuid": "xxxxxxxxxxxxx",
"shard": "0",
"index": "my_index"
}
],
"type": "version_conflict_engine_exception",
"reason": "[1]: version conflict, current version [11], provided version [11]",
"index_uuid": "xxxxxxxxxxxxx",
"shard": "0",
"index": "my_index"
},
"status": 409
}
在这个示例中,由于提供的 if_seq_no
和 if_primary_term
条件与实际存储的文档序列号和主要项不匹配,操作失败并返回版本冲突的错误。
通过使用 if_seq_no
和 if_primary_term
参数,我们可以精确控制对文档的并发操作,并避免冲突。