打破误解！MongoDB 事务隔离级别深度实测：快照隔离竟能防住 8 种异常？

葡萄城技术团队2025-11-10 14:57

打破误解！MongoDB 事务隔离级别深度实测：快照隔离竟能防住 8 种异常？

作为 NoSQL 数据库的代表，MongoDB 的事务能力一直被部分开发者"低估"------不少人还抱着"老版本有坑""NoSQL 事务不靠谱"的固有印象。但实际上，自 4.0 版本支持多文档事务后，MongoDB 已实现 ACID 兼容，其基于快照隔离（Snapshot Isolation）的设计，不仅能媲美传统关系型数据库的一致性，还通过独特的冲突处理机制兼顾了性能。本文结合完整实测代码和案例，带大家彻底搞懂 MongoDB 的事务隔离级别，理清那些流传已久的误解。

一、核心结论：MongoDB 事务隔离级别的本质

MongoDB 的多文档事务采用快照隔离（Snapshot Isolation） 机制，依托多版本并发控制（MVCC）实现强一致性，完全满足 ACID 特性。

很多开发者会下意识将其与 SQL 标准的隔离级别对标，但这种做法并不恰当------SQL 标准的隔离级别定义并未考虑 MVCC，而 MongoDB、PostgreSQL 等主流数据库均依赖 MVCC 实现并发控制。简单来说：

  • MongoDB 的事务隔离能力不逊色于传统关系型数据库；
  • 早期版本（如 4.0 刚支持多文档事务时）的部分问题已完全修复，像早期 Jepsen 报告中提到的异常场景已不复存在；
  • 其隔离级别通过readConcern（读关注级别）控制，不同级别对应不同的一致性保障和使用场景。

二、各读关注级别的特点（与 SQL 隔离级别的区别）

MongoDB 的事务隔离核心由readConcern参数控制，不同级别对应不同的一致性表现，且无法直接等同于 SQL 标准的隔离级别，具体特点如下：

1. local 级别

  • 可能读取到未提交的中间状态（这些状态后续可能因事务回滚而失效），因此有时被类比为 SQL 的"读未提交"；
  • 但需注意：部分 SQL 数据库在极端情况下也会出现类似行为，却仍将其归为"读已提交"级别，可见直接对标并不严谨。

2. majority 级别

  • 仅读取已被大多数节点确认提交的数据，避免了"读未提交"问题，常被类比为 SQL 的"读已提交"；
  • 关键区别：SQL 的"读已提交"是为了减少两阶段锁的锁定时长，采用"冲突等待"机制；而 MongoDB 多文档事务采用"冲突即失败"（fail-on-conflict）机制，避免长时间等待；
  • 局限：在多分片场景下，可能读取到多个不同时间点的状态，无法保证跨分片的时间线一致性。

3. snapshot 级别

  • 真正等同于"快照隔离"，能提供跨分片的时间线一致性，防止的异常场景比"读已提交"更多；
  • 有趣的是：部分数据库会将其称为"可串行化"，因为 SQL 标准并未考虑"写倾斜"（write skew）异常，而快照隔离本身可规避部分此类场景。

4. linearizable 级别

  • 仅适用于单文档操作，无法用于多文档事务，可类比为 SQL 的"可串行化"；
  • 特点：能保证单文档操作的线性一致性，但会重新引入读锁带来的扩展性问题，这也是多数数据库不默认提供可串行化级别的原因------MVCC 的核心优势就是避免读锁。

三、实测验证：MongoDB 如何防止事务异常？

为了验证 MongoDB 事务的隔离能力，测试者遵循 Martin Kleppmann 的测试框架（原本用于 PostgreSQL），针对多文档事务场景进行了一系列实测。所有测试均采用readConcern: majority和writeConcern: majority配置（单节点环境），部分跨分片场景需使用snapshot级别，以下是带完整代码的关键测试结果：

测试前提

所有测试均初始化基础数据：

JavaScript 复制代码 
// 初始化数据
use test_db;
db.test.drop();
db.test.insertMany([
  { _id: 1, value: 10 },
  { _id: 2, value: 20 }
]);

事务均通过startSession()开启，明确指定读/写关注级别。

1. 防止写循环（G0）：冲突即失败，拒绝无限等待

  • 测试场景：两个事务同时更新同一文档；
  • 传统两阶段锁数据库：第二个事务会等待第一个事务完成，避免冲突；
  • MongoDB 测试代码：
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 两个事务同时更新同一文档
T1.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 11 } });
T2.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 12 } });

// 执行结果：抛出写冲突错误
// MongoServerError[WriteConflict]: Caused by :: Write conflict during plan execution and yielding is disabled. :: Please retry your operation or multi-document transaction.
  • 关键差异：隐式单文档事务（自动提交）采用"冲突等待"机制，测试中等待 60 秒超时后执行成功：
JavaScript 复制代码 
const db = db.getMongo().getDB("test_db");
print(`Elapsed time: ${
  ((startTime = new Date())
  && db.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 12 } }))
  && (new Date() - startTime)
} ms`);

// 执行结果：Elapsed time: 72548 ms（等待约60秒超时后成功）
// 此时T1事务因超时被中止，提交时会报错：
// session1.commitTransaction();
// MongoServerError[NoSuchTransaction]: Transaction with { txnNumber: 2 } has been aborted.
  • 结论：显式多文档事务采用"冲突即失败"，让应用自行处理重试逻辑，兼顾复杂事务的灵活性。

2. 防止未提交读（G1a）：只认已提交数据

  • 测试场景：事务 T1 更新文档后未提交，事务 T2 读取该文档；
  • MongoDB 测试代码：
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// T1更新文档但未提交
T1.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 101 } });

// T2读取文档，仅能看到已提交数据
T2.test.find(); 
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 }, { _id: 2, value: 20 } ]

// T1回滚事务
session1.abortTransaction();

// T2再次读取，结果不变
T2.test.find(); 
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 }, { _id: 2, value: 20 } ]

session2.commitTransaction();
  • 结论：majority或snapshot级别均能杜绝"读取未提交数据"的异常。

3. 防止中间读（G1b）：事务内读时间线固定

  • 测试场景：T1 更新文档并提交，T2 在 T1 提交前已启动，后续再次读取该文档；
  • MongoDB 测试代码：
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// T1更新文档（未提交）
T1.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 101 } });

// T2读取，看不到未提交变更
T2.test.find(); 
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 }, { _id: 2, value: 20 } ]

// T1修改并提交
T1.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 11 } });
session1.commitTransaction();

// T2再次读取，仍看不到T1提交的新值
T2.test.find(); 
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 }, { _id: 2, value: 20 } ]

session2.commitTransaction();
  • 区别于 SQL：多数 MVCC 架构的 SQL 数据库在"读已提交"级别下，会在每个语句执行前重置读时间线，因此能看到后续提交的新值，而 MongoDB 事务的读时间线固定在事务启动时，从根源避免了"中间读"。

4. 防止循环信息流转（G1c）：未提交变更互不可见

  • 测试场景：T1 更新文档 1，T2 更新文档 2，两者互相读取对方更新的文档；
  • MongoDB 测试代码：
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// T1更新文档1，T2更新文档2
T1.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 11 } });
T2.test.updateOne({ _id: 2 }, { $set: { value: 22 } });

// T1读取文档2，看不到T2的未提交更新
T1.test.find({ _id: 2 }); 
// 执行结果：[ { _id: 2, value: 20 } ]

// T2读取文档1，看不到T1的未提交更新
T2.test.find({ _id: 1 }); 
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 } ]

// 提交两个事务
session1.commitTransaction();
session2.commitTransaction();

5. 防止事务消失（OTV）：多事务冲突快速失败

  • 测试场景：三个事务同时操作同一批文档，存在交叉更新；
  • MongoDB 测试代码：
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T3
const session3 = db.getMongo().startSession();
const T3 = session3.getDatabase("test_db");
session3.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// T1更新两个文档
T1.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 11 } });
T1.test.updateOne({ _id: 2 }, { $set: { value: 19 } });

// T2更新文档1，触发冲突
T2.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 12 } });

// 执行结果：抛出写冲突错误
// MongoServerError[WriteConflict]: Caused by :: Write conflict during plan execution and yielding is disabled. :: Please retry your operation or multi-document transaction.
  • 优势：相比传统数据库的"等待-超时"机制，MongoDB 的"冲突即失败"能让应用更快感知并处理冲突，提升整体吞吐量。

6. 防止多前驱谓词异常（PMP）：快照一致性覆盖查询场景

  • 测试场景 1：T1 启动后执行查询（无匹配结果），T2 插入匹配该查询条件的文档并提交，T1 再次执行相同查询；
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// T1查询value=30的文档，无结果
T1.test.find({ value: 30 }).toArray(); 
// 执行结果：[]

// T2插入匹配条件的文档并提交
T2.test.insertOne({ _id: 3, value: 30 });
session2.commitTransaction();

// T1再次查询，仍无结果
T1.test.find({ value: { $mod: [3, 0] } }).toArray(); 
// 执行结果：[]

session1.commitTransaction();
  • 测试场景 2：T1 批量更新文档，T2 批量删除匹配文档，触发冲突；
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// T1批量更新所有文档
T1.test.updateMany({}, { $inc: { value: 10 } });

// T2删除value=20的文档，触发冲突
T2.test.deleteMany({ value: 20 });

// 执行结果：抛出写冲突错误
// MongoServerError[WriteConflict]: Caused by :: Write conflict during plan execution and yielding is disabled. :: Please retry your operation or multi-document transaction.
  • 结论：MongoDB 通过快照隔离和冲突检测，避免了基于过时查询结果执行写操作的异常。

7. 防止丢失更新（P4）：拒绝并行更新覆盖

  • 测试场景：两个事务同时读取同一文档，基于相同的旧值执行更新；
  • MongoDB 测试代码：
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 两个事务均读取文档1的旧值
T1.test.find({ _id: 1 }); 
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 } ]
T2.test.find({ _id: 1 }); 
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 } ]

// 两个事务基于旧值执行更新，后执行的触发冲突
T1.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 11 } });
T2.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 11 } });

// 执行结果：抛出写冲突错误
// MongoServerError[WriteConflict]: Caused by :: Write conflict during plan execution and yielding is disabled. :: Please retry your operation or multi-document transaction.
  • 关键：应用只需捕获该错误并重试，即可保证更新的原子性。

8. 防止读倾斜（G-single）：事务内数据一致性

  • 测试场景 1：T1 启动后读取文档 2，T2 更新文档 1 和 2 并提交，T1 再次读取文档 2；
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({

  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// T1读取文档1和2
T1.test.find({ _id: 1 }); 
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 } ]
T2.test.find({ _id: 2 }); 
// 执行结果：[ { _id: 2, value: 20 } ]

// T2更新两个文档并提交
T2.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 12 } });
T2.test.updateOne({ _id: 2 }, { $set: { value: 18 } });
session2.commitTransaction();

// T1再次读取文档2，结果不变
T1.test.find({ _id: 2 }); 
// 执行结果：[ { _id: 2, value: 20 } ]

session1.commitTransaction();
  • 测试场景 2：T1 查询匹配条件的文档，T2 更新文档使其满足新条件并提交，T1 再次查询；
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// T1查询value能被5整除的文档
T1.test.findOne({ value: { $mod: [5, 0] } }); 
// 执行结果：{ _id: 1, value: 10 }

// T2更新文档1使其能被3整除并提交
T2.test.updateOne({ value: 10 }, { $set: { value: 12 } });
session2.commitTransaction();

// T1查询value能被3整除的文档，无结果
T1.test.find({ value: { $mod: [3, 0] } }).toArray(); 
// 执行结果：[]

session1.commitTransaction();
  • 测试场景 3：T2 更新文档后提交，T1 删除匹配旧值的文档，触发冲突；
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// T1读取文档1
T1.test.find({ _id: 1 }); 
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 } ]

// T2更新两个文档并提交
T2.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 12 } });
T2.test.updateOne({ _id: 2 }, { $set: { value: 18 } });
session2.commitTransaction();

// T1删除value=20的文档，触发冲突
T1.test.deleteMany({ value: 20 });

// 执行结果：抛出写冲突错误
// MongoServerError[WriteConflict]: Caused by :: Write conflict during plan execution and yielding is disabled. :: Please retry your operation or multi-document transaction.
  • 对比 SQL：SQL 的"读已提交"级别可能出现"读倾斜"，即同一事务内两次读取同一文档得到不同结果，而 MongoDB 的快照隔离完全规避了这一问题。

四、需要应用层处理的事务异常

MongoDB 的快照隔离并非万能，以下两种异常无法通过数据库层面自动防止，需要应用层介入处理：

1. 写倾斜（G2-item）：读依赖导致的逻辑冲突

  • 场景：两个事务同时读取同一批文档，基于读取结果执行更新，更新后的数据可能违反业务规则（如两个事务均判断"库存充足"并扣减，最终导致库存为负）；
  • MongoDB 测试代码：
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "majority" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "snapshot" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 两个事务均读取文档1和2
T1.test.find({ _id: { $in: [1, 2] } });
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 }, { _id: 2, value: 20 } ]
T2.test.find({ _id: { $in: [1, 2] } });
// 执行结果：[ { _id: 1, value: 10 }, { _id: 2, value: 20 } ]

// 两个事务分别更新文档
T2.test.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { value: 11 } });
T2.test.updateOne({ _id: 2 }, { $set: { value: 21 } });

// 两个事务均提交成功，未触发冲突
session1.commitTransaction();
session2.commitTransaction();
  • 原因：MongoDB 不会在读取时加锁，也无法感知"基于读取结果的写依赖"；
  • 解决方案：应用层可通过"更新读集文档"的方式，将读依赖转化为写冲突（如读取文档时更新一个"版本号"字段），迫使冲突事务失败重试。

2. 反依赖循环（G2）：跨事务读写依赖冲突

  • 场景：两个事务均基于对方已更新的文档执行写操作，导致最终结果违反预期；
  • MongoDB 测试代码：
JavaScript 复制代码 
// 初始化数据（同上，略）

// 事务T1
const session1 = db.getMongo().startSession();
const T1 = session1.getDatabase("test_db");
session1.startTransaction({
  readConcern: { level: "snapshot" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 事务T2
const session2 = db.getMongo().startSession();
const T2 = session2.getDatabase("test_db");
session2.startTransaction({
  readConcern: { level: "snapshot" },
  writeConcern: { w: "majority" }
});

// 两个事务均查询value能被3整除的文档，无结果
T1.test.find({ value: { $mod: [3, 0] } }).toArray(); 
// 执行结果：[]
T2.test.find({ value: { $mod: [3, 0] } }).toArray(); 
// 执行结果：[]

// T1插入两个能被3整除的文档并提交
T1.test.insertOne({ _id: 3, value: 30 });
T1.test.insertOne({ _id: 4, value: 42 });
session1.commitTransaction();

// T2提交（无更新操作）
session2.commitTransaction();

// 最终查询，能看到T1插入的文档
T1.test.find({ value: { $mod: [3, 0] } }).toArray();
// 执行结果：[ { _id: 3, value: 30 }, { _id: 4, value: 42 } ]
  • 原因：MongoDB 不会在读写操作之间加锁，无法检测此类跨事务的读依赖冲突；
  • 解决方案：若事务的写操作依赖于之前的读取结果，应用层需显式更新读取过的文档（如添加"已处理"标记），触发 MongoDB 的写冲突检测，避免异常。

五、总结：MongoDB 事务隔离级别怎么用？

  1. 核心选型：单分片场景用readConcern: majority即可满足大部分需求，多分片场景需用snapshot保证跨分片一致性；
  2. 冲突处理：显式多文档事务采用"冲突即失败"，应用需实现重试逻辑（简单场景可直接重试，复杂场景需处理幂等性）；
  3. 打破误解：MongoDB 的多文档事务早已具备生产级稳定性，其隔离能力不逊色于传统关系型数据库，无需再被"NoSQL 事务不靠谱"的老观念束缚；
  4. 性能平衡：通过 MVCC 和"冲突即失败"机制，MongoDB 在保证一致性的同时，避免了读锁带来的扩展性问题，适合高并发场景。

如果你的业务需要使用 MongoDB 的多文档事务，不妨直接复制本文的测试代码进行验证，结合自身业务特点选择合适的读关注级别，同时在应用层处理好写倾斜和反依赖循环问题，即可充分发挥其高并发+强一致性的优势～

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