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存储引擎外键约束设计与实现

关系数据库与NoSQL的区别

关系数据库与NoSQL数据库的主要区别之一是外键约束的支持。尽管现代大厂在设计数据存储结构时通常不使用外键约束，转而依赖业务逻辑来保证数据完整性，但为了确保关键业务数据的完整性，我们在存储引擎层面实现了外键约束功能。

实现思路

由于存储引擎是分布式的，引用者与被引用者可能分布在不同的节点上（例如订单数据在节点1上，订单引用的产品数据在节点2上）。传统关系数据库的外键约束难以直接应用于分布式环境，因此我们设计了以下存储结构：

通过分布式事务，我们确保了数据与引用索引及计数器的一致性。

插入订单

插入操作时，存储引擎会根据实体模型元数据检查是否存在EntityRef成员。如果存在，则在同一事务内向被引用者的分区发送AddRefCommand。该命令会锁定目标记录，判断是否存在相应记录。如果不存在，则通知事务回滚。如果是同一事务内插入产品再插入订单，AddRefCommand会检测同一事务内是否存在被引用者记录。事务提交时，原子性地保存引用索引与引用计数。

删除产品

删除操作时，存储引擎会先检查当前记录的所有分区引用计数是否为0。如果不为0，则通知事务回滚。

更新或删除订单

如果引用产品发生变更，存储引擎会删除旧引用索引，并添加新引用索引；如果引用产品设为Null或删除订单，存储引擎会删除引用索引，同时通知产品分区更新引用计数。

并发优化

由于存储引擎的分布式事务是基于2PL协议的，如果有大量事务同时插入订单且引用同一产品，会导致事务排队执行，影响并发性能。为此，我们引入了一个优化措施，允许不同事务的AddRefCommand共享锁定被引用者，以提高并发性能。通过测试，我们发现单节点Debug模式下，带外键引用的并发插入性能为14000TPS，而不带外键引用的并发插入性能为28000TPS。

测试

测试引用至不存在的目标

public async Task
   
     Test1()
{
    var ou = new Entities.OrgUnit();
    ou.Name = "Name";
    ou.CreateById = Guid.Empty; // 指向不存在的目标
    await EntityStore.SaveAsync(ou);
    return "Done.";
}
   

调用此方法会返回“Insert error: ForeignKeyConstraint”，即违反了外键约束。

测试同一事务插入

public async Task
   
     Test2()
{
    var txn = await Transaction.BeginAsync();
    try
    {
        // 先新建并保存被引用者
        var emp = new Entities.Emploee();
        emp.Name = "Batch name";
        emp.Account = emp.Name;
        emp.Birthday = new DateTime(1977, 3, 16);
        await EntityStore.SaveAsync(emp, txn);
        // 再新建并保存引用者
        var ou = new Entities.OrgUnit();
        ou.Name = "Batch ou";
        ou.CreateById = emp.Id;
        await EntityStore.SaveAsync(ou, txn);
        await txn.CommitAsync();
    }
    catch (Exception ex)
    {
        txn.Rollback();
        return $"Failed: {ex.Message}";
    }
    return "Done.";
}
   

调用此方法将返回"Done."，此时可以打开Emploee及OrgUnit的模型设计器内的"Data"栏，验证插入的数据是否正确。

测试同一事务删除

public async Task
   
     Delete()
{
    var q1 = new TableScan
    
     ();
    q1.Filter(t => t.Name == "Batch ou");
    var ous = await q1.ToListAsync();
    var q2 = new TableScan
     
      ();
    q2.Filter(t => t.Name == "Batch name");
    var emps = await q2.ToListAsync();
    var txn = await Transaction.BeginAsync();
    try
    {
        // 先删除引用者
        await EntityStore.DeleteAsync(ous[0], txn);
        // 再删除被引用者
        await EntityStore.DeleteAsync(emps[0], txn);
        await txn.CommitAsync();
    }
    catch (Exception ex)
    {
        txn.Rollback();
        return $"Failed: {ex.Message}";
    }
    return "Done.";
}
     
    
   

调用此方法将返回"Done."，此时可以打开Emploee及OrgUnit的模型设计器内的"Data"栏，验证数据已被删除。

小结

本文介绍了框架集成的存储引擎如何用另类方式实现外键约束。目前已更新可测试。如果您有问题或发现Bug，请留言或提交Issue。

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