摘要：注：本文解析 Google Spanner 架构。如需深入探索，请参考文末引用资料。本文基于研究整理，可能与实际实现存在差异。
注：本文解析 Google Spanner 架构。如需深入探索，请参考文末引用资料。本文基于研究整理，可能与实际实现存在差异。
曾经，两名学生试图以百万美元出售他们的大学项目，却以失败告终。
于是他们决定继续开发，并将其命名为 Google。
其主要收入来源是广告位（Ads），且增长势头迅猛。
早期，他们为简化架构选择 MySQL 存储广告数据。随着用户激增，通过分区扩展 MySQL 规模。
MySQL键范围分区扩展方案
虽然分区暂时解决了扩展性问题，但新问题接踵而至：
1. 扩展性瓶颈
存储需求随增长飙升，而重新分区需跨服务器迁移数据，耗时严重。
但系统对停机时间容忍度极低，这使得扩展异常困难。
2. 事务挑战
广告数据需满足 ACID 合规性。
但分区后事务处理变得复杂——事务本质是一系列读写操作的原子组合。
云Spanner数据库
他们需要 NoSQL 的扩展能力与 MySQL 的 ACID 特性，于是创造了 Spanner——一个分布式 SQL 数据库。
1. 原子性（Atomicity）
原子性指事务要么全部完成，要么完全失败。例如，事务需同时更新不同分区的数据。
两阶段提交实现原子事务
但确保所有分区提交成功十分困难，因此采用 两阶段提交协议（2PC）：
准备阶段：协调者询问各分区是否可提交提交阶段：若所有分区同意，协调者通知提交任一分区拒绝则事务中止，从而保证原子性。2. 一致性（Consistency）
Spanner 提供 全局强一致性。例如，欧洲的数据更新后，亚洲的读取也会立即生效。
跨区域部署分区
为实现这一点，每个分区通过 Paxos一致性算法 选举领导者。分区领导者负责写操作，副本处理读操作，且领导者可能分布在不同区域。
TrueTime架构
实现强一致性的一个简单方法是使用时间戳对写入进行排序（它允许跨服务器一致地查看数据），但让全世界所有服务器都保持相同的时间还是非常难的。
因此，Spanner 使用 TrueTime 同步全球服务器时间。TrueTime 结合 GPS时钟 与 原子钟，每30秒校准一次服务器时间，确保时间戳全局一致。
读取时通过时间戳对比保证强一致性
读取流程如下：
请求路由至最近的副本副本向主节点（领导者）查询数据最新时间戳对比时间戳后响应客户端若副本数据过时，则等待主节点（领导者）同步3. 隔离性（Isolation）
隔离性指并发事务互不干扰。
两阶段锁实现写操作隔离
Spanner 采用 两阶段锁（2PL） 管理写操作：
加锁阶段：事务获取数据锁后执行读写释放阶段：事务完成后逐步释放锁从而避免写入时的数据冲突。
快照隔离实现无锁读取
同时使用 快照隔离（基于多版本并发控制 MVCC），读取时返回特定时间点的数据版本，避免锁竞争。工作原理如下：
新数据写入时附加 TrueTime 时间戳旧版本定期清理以节省存储此外，旧版本也会在特定时间后自动删除以节省存储空间。
4. 持久性（Durability）
持久性指已完成事务的结果永不丢失。
基于Paxos的同步写入保证持久性
Spanner 通过 Paxos 协议将数据同步写入多数副本，再异步复制至其他副本。
数据库服务器高层架构
此外，Spanner 将计算层与存储层分离：
计算层处理读写请求，存储层使用 Google Colossus 分布式文件系统，保障高性能与持久性。
最终，Spanner 实现 99.999% 可用性。Google 2023 年广告收入达 2370 亿美元，成为全球最具价值企业之一。
>>>>参考资料
【1】Spanner：Google 全球分布式数据库白皮书【2】F1：可扩展的分布式 SQL 数据库【3】Spanner：Google 的全球分布式数据库演示【4】Spanner、TrueTime 和 CAP 定理【5】Spanner：成为 SQL 系统【6】Spanner 内部原理：理解严格的可序列化性和外部一致性【7】Cloud Spanner 101：Google 的关键任务关系数据库https://www.youtube.com/watch?v=IfsTINNCooY【8】分布式系统：Google 的 Spannerhttps://www.youtube.com/watch?v=oeycOVX70aE【9】Spanner - Sebastian Kanthak 撰写的 Google 分布式数据库https://www.youtube.com/watch?v=LaLT6EC7Trc【10】分布式系统：两阶段提交https://www.youtube.com/watch?v=-_rdWB9hN1c【11】谷歌如何赚钱？【12】使用Eraser创建的框图https://app.eraser.io/auth/sign-up?ref=neo作者丨Neo Kim 编译丨Rio
来源丨网址：https://newsletter.systemdesign.one/p/cloud-spanner-database?hide_intro_popup=true
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