分布式事務(wù)如何實(shí)現(xiàn)？深入解讀 Seata 的 XA 模式

作者：煊檍 2020-04-28 12:18:08

開發(fā) 架構(gòu) 分布式

XA 模式的加入，補(bǔ)齊了 Seata 在全局一致性場(chǎng)景下的缺口，形成 AT、TCC、Saga、XA 四大事務(wù)模式的版圖，基本可以滿足所有場(chǎng)景的分布式事務(wù)處理訴求。

Seata 1.2.0 版本重磅發(fā)布新的事務(wù)模式：XA 模式，實(shí)現(xiàn)對(duì) XA 協(xié)議的支持。

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這里，我們從三個(gè)方面來深入解讀這個(gè)新的特性：

是什么(What)：XA 模式是什么?
為什么(Why)：為什么支持 XA?
怎么做(How)：XA 模式是如何實(shí)現(xiàn)的，以及怎樣使用?

1. XA 模式是什么?

這里有兩個(gè)基本的前置概念：

什么是 XA?
什么是 Seata 定義的所謂事務(wù)模式?

基于這兩點(diǎn)，再來理解 XA 模式就很自然了。

1.1 什么是 XA?

XA 規(guī)范是 X/Open 組織定義的分布式事務(wù)處理(DTP，Distributed Transaction Processing)標(biāo)準(zhǔn)。

XA 規(guī)范描述了全局的事務(wù)管理器與局部的資源管理器之間的接口。 XA規(guī)范的目的是允許的多個(gè)資源(如數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用服務(wù)器，消息隊(duì)列等)在同一事務(wù)中訪問，這樣可以使 ACID 屬性跨越應(yīng)用程序而保持有效。

XA 規(guī)范使用兩階段提交(2PC，Two-Phase Commit)來保證所有資源同時(shí)提交或回滾任何特定的事務(wù)。

XA 規(guī)范在上世紀(jì) 90 年代初就被提出。目前，幾乎所有主流的數(shù)據(jù)庫(kù)都對(duì) XA 規(guī)范提供了支持。

1.2 什么是 Seata 的事務(wù)模式?

Seata 定義了全局事務(wù)的框架。

全局事務(wù) 定義為若干分支事務(wù) 的整體協(xié)調(diào)：

TM 向 TC 請(qǐng)求發(fā)起(Begin)、提交(Commit)、回滾(Rollback)全局事務(wù)。
TM 把代表全局事務(wù)的 XID 綁定到分支事務(wù)上。
RM 向 TC 注冊(cè)，把分支事務(wù)關(guān)聯(lián)到 XID 代表的全局事務(wù)中。
RM 把分支事務(wù)的執(zhí)行結(jié)果上報(bào)給 TC。(可選)
TC 發(fā)送分支提交(Branch Commit)或分支回滾(Branch Rollback)命令給 RM。

Seata 的全局事務(wù) 處理過程，分為兩個(gè)階段：

執(zhí)行階段：執(zhí)行分支事務(wù)，并保證執(zhí)行結(jié)果滿足是可回滾的(Rollbackable) 和持久化的(Durable)。
完成階段：根據(jù) 執(zhí)行階段結(jié)果形成的決議，應(yīng)用通過 TM 發(fā)出的全局提交或回滾的請(qǐng)求給 TC，TC 命令 RM 驅(qū)動(dòng) 分支事務(wù) 進(jìn)行 Commit 或 Rollback。

Seata 的所謂事務(wù)模式是指：運(yùn)行在 Seata 全局事務(wù)框架下的分支事務(wù) 的行為模式。準(zhǔn)確地講，應(yīng)該叫作分支事務(wù)模式。

不同的事務(wù)模式區(qū)別在于分支事務(wù) 使用不同的方式達(dá)到全局事務(wù)兩個(gè)階段的目標(biāo)。即，回答以下兩個(gè)問題：

執(zhí)行階段：如何執(zhí)行并保證執(zhí)行結(jié)果滿足是可回滾的(Rollbackable) 和持久化的(Durable)。
完成階段：收到 TC 的命令后，如何做到分支的提交或回滾?

以我們 Seata 的 AT 模式和 TCC 模式為例來理解：

AT 模式

執(zhí)行階段：

可回滾：根據(jù) SQL 解析結(jié)果，記錄回滾日志
持久化：回滾日志和業(yè)務(wù) SQL 在同一個(gè)本地事務(wù)中提交到數(shù)據(jù)庫(kù)

完成階段：

分支提交：異步刪除回滾日志記錄
分支回滾：依據(jù)回滾日志進(jìn)行反向補(bǔ)償更新

TCC 模式

執(zhí)行階段：

調(diào)用業(yè)務(wù)定義的 Try 方法(完全由業(yè)務(wù)層面保證可回滾和持久化)

完成階段：

分支提交：調(diào)用各事務(wù)分支定義的 Confirm 方法
分支回滾：調(diào)用各事務(wù)分支定義的 Cancel 方法

1.3 什么是 Seata 的 XA 模式?

XA 模式：

在 Seata 定義的分布式事務(wù)框架內(nèi)，利用事務(wù)資源(數(shù)據(jù)庫(kù)、消息服務(wù)等)對(duì) XA 協(xié)議的支持，以 XA 協(xié)議的機(jī)制來管理分支事務(wù)的一種事務(wù)模式。

執(zhí)行階段：

可回滾：業(yè)務(wù) SQL 操作放在 XA 分支中進(jìn)行，由資源對(duì) XA 協(xié)議的支持來保證可回滾
持久化：XA 分支完成后，執(zhí)行 XA prepare，同樣，由資源對(duì) XA 協(xié)議的支持來保證持久化(即，之后任何意外都不會(huì)造成無法回滾的情況)

完成階段：

分支提交：執(zhí)行 XA 分支的 commit
分支回滾：執(zhí)行 XA 分支的 rollback

2. 為什么支持 XA?

為什么要在 Seata 中增加 XA 模式呢?支持 XA 的意義在哪里呢?

2.1 補(bǔ)償型事務(wù)模式的問題

本質(zhì)上，Seata 已經(jīng)支持的 3 大事務(wù)模式：AT、TCC、Saga 都是補(bǔ)償型的。

補(bǔ)償型事務(wù)處理機(jī)制構(gòu)建在事務(wù)資源之上(要么在中間件層面，要么在應(yīng)用層面)，事務(wù)資源本身對(duì)分布式事務(wù)是無感知的。

事務(wù)資源對(duì)分布式事務(wù)的無感知存在一個(gè)根本性的問題：無法做到真正的全局一致性。

比如，一條庫(kù)存記錄，處在補(bǔ)償型事務(wù)處理過程中，由 100 扣減為 50。此時(shí)，倉(cāng)庫(kù)管理員連接數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢統(tǒng)計(jì)庫(kù)存，就看到當(dāng)前的 50。之后，事務(wù)因?yàn)楫愅饣貪L，庫(kù)存會(huì)被補(bǔ)償回滾為 100。顯然，倉(cāng)庫(kù)管理員查詢統(tǒng)計(jì)到的 50 就是臟數(shù)據(jù)。

可以看到，補(bǔ)償型分布式事務(wù)機(jī)制因?yàn)椴灰?事務(wù)資源本身(如數(shù)據(jù)庫(kù))的機(jī)制參與，所以無法保證從事務(wù)框架之外的全局視角的數(shù)據(jù)一致性。

2.2 XA 的價(jià)值

與補(bǔ)償型不同，XA 協(xié)議要求事務(wù)資源本身提供對(duì)規(guī)范和協(xié)議的支持。

因?yàn)?事務(wù)資源感知并參與分布式事務(wù)處理過程，所以事務(wù)資源(如數(shù)據(jù)庫(kù))可以保障從任意視角對(duì)數(shù)據(jù)的訪問有效隔離，滿足全局?jǐn)?shù)據(jù)一致性。

比如，上一節(jié)提到的庫(kù)存更新場(chǎng)景，XA 事務(wù)處理過程中，中間態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)存 50 由數(shù)據(jù)庫(kù)本身保證，是不會(huì)倉(cāng)庫(kù)管理員的查詢統(tǒng)計(jì) 看到的。(當(dāng)然隔離級(jí)別需要讀已提交以上)

除了全局一致性這個(gè)根本性的價(jià)值外，支持 XA 還有如下幾個(gè)方面的好處：

業(yè)務(wù)無侵入：和 AT 一樣，XA 模式將是業(yè)務(wù)無侵入的，不給應(yīng)用設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來額外負(fù)擔(dān)。
數(shù)據(jù)庫(kù)的支持廣泛：XA 協(xié)議被主流關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)廣泛支持，不需要額外的適配即可使用。
多語言支持容易：因?yàn)椴簧婕?SQL 解析，XA 模式對(duì) Seata 的 RM 的要求比較少，為不同語言開發(fā) SDK 較之 AT 模式將更薄，更容易。
傳統(tǒng)基于 XA 應(yīng)用的遷移：傳統(tǒng)的，基于 XA 協(xié)議的應(yīng)用，遷移到 Seata 平臺(tái)，使用 XA 模式將更平滑。

2.3 XA 廣泛被質(zhì)疑的問題

不存在某一種分布式事務(wù)機(jī)制可以完美適應(yīng)所有場(chǎng)景，滿足所有需求。

XA 規(guī)范早在上世紀(jì) 90 年代初就被提出，用以解決分布式事務(wù)處理這個(gè)領(lǐng)域的問題。

現(xiàn)在，無論 AT 模式、TCC 模式還是 Saga 模式，這些模式的提出，本質(zhì)上都源自 XA 規(guī)范對(duì)某些場(chǎng)景需求的無法滿足。

XA 規(guī)范定義的分布式事務(wù)處理機(jī)制存在一些被廣泛質(zhì)疑的問題，針對(duì)這些問題，我們是如何思考的呢?

1. 數(shù)據(jù)鎖定：數(shù)據(jù)在整個(gè)事務(wù)處理過程結(jié)束前，都被鎖定，讀寫都按隔離級(jí)別的定義約束起來。

思考：

數(shù)據(jù)鎖定是獲得更高隔離性和全局一致性所要付出的代價(jià)。

補(bǔ)償型的事務(wù)處理機(jī)制，在執(zhí)行階段即完成分支(本地)事務(wù)的提交，(資源層面)不鎖定數(shù)據(jù)。而這是以犧牲隔離性為代價(jià)的。

另外，AT 模式使用全局鎖保障基本的寫隔離，實(shí)際上也是鎖定數(shù)據(jù)的，只不過鎖在 TC 側(cè)集中管理，解鎖效率高且沒有阻塞的問題。

2. 協(xié)議阻塞：XA prepare 后，分支事務(wù)進(jìn)入阻塞階段，收到 XA commit 或 XA rollback 前必須阻塞等待。

思考：

協(xié)議的阻塞機(jī)制本身并不是問題，關(guān)鍵問題在于協(xié)議阻塞遇上數(shù)據(jù)鎖定。

如果一個(gè)參與全局事務(wù)的資源 “失聯(lián)” 了(收不到分支事務(wù)結(jié)束的命令)，那么它鎖定的數(shù)據(jù)，將一直被鎖定。進(jìn)而，甚至可能因此產(chǎn)生死鎖。

這是 XA 協(xié)議的核心痛點(diǎn)，也是 Seata 引入 XA 模式要重點(diǎn)解決的問題。

基本思路是兩個(gè)方面：避免 “失聯(lián)” 和增加 “自解鎖” 機(jī)制。(這里涉及非常多技術(shù)細(xì)節(jié)，暫時(shí)不展開，在后續(xù) XA 模式演進(jìn)過程中，會(huì)專門拿出來討論)

3. 性能差：性能的損耗主要來自兩個(gè)方面：一方面，事務(wù)協(xié)調(diào)過程，增加單個(gè)事務(wù)的 RT;另一方面，并發(fā)事務(wù)數(shù)據(jù)的鎖沖突，降低吞吐。

思考：

和不使用分布式事務(wù)支持的運(yùn)行場(chǎng)景比較，性能肯定是下降的，這點(diǎn)毫無疑問。

本質(zhì)上，事務(wù)(無論是本地事務(wù)還是分布式事務(wù))機(jī)制就是拿部分性能的犧牲，換來編程模型的簡(jiǎn)單。

與同為業(yè)務(wù)無侵入的 AT 模式比較：

首先，因?yàn)橥瑯舆\(yùn)行在 Seata 定義的分布式事務(wù)框架下，XA 模式并沒有產(chǎn)生更多事務(wù)協(xié)調(diào)的通信開銷。

其次，并發(fā)事務(wù)間，如果數(shù)據(jù)存在熱點(diǎn)，產(chǎn)生鎖沖突，這種情況，在 AT 模式(默認(rèn)使用全局鎖)下同樣存在的。

所以，在影響性能的兩個(gè)主要方面，XA 模式并不比 AT 模式有非常明顯的劣勢(shì)。

AT 模式性能優(yōu)勢(shì)主要在于：集中管理全局?jǐn)?shù)據(jù)鎖，鎖的釋放不需要 RM 參與，釋放鎖非常快;另外，全局提交的事務(wù)，完成階段異步化。

3. XA 模式如何實(shí)現(xiàn)以及怎樣用?

3.1 XA 模式的設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

XA 模式的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)，兩個(gè)主要方面：

從場(chǎng)景上，滿足全局一致性的需求。
從應(yīng)用上，保持與 AT 模式一致的無侵入。
從機(jī)制上，適應(yīng)分布式微服務(wù)架構(gòu)的特點(diǎn)。

整體思路：

與 AT 模式相同的：以應(yīng)用程序中本地事務(wù) 的粒度，構(gòu)建到 XA 模式的分支事務(wù)。

通過數(shù)據(jù)源代理，在應(yīng)用程序本地事務(wù)范圍外，在框架層面包裝 XA 協(xié)議的交互機(jī)制，把 XA 編程模型透明化。

把 XA 的 2PC 拆開，在分支事務(wù) 執(zhí)行階段的末尾就進(jìn)行 XA prepare，把 XA 協(xié)議完美融合到 Seata 的事務(wù)框架，減少一輪 RPC 交互。

3.1.2 核心設(shè)計(jì)

1. 整體運(yùn)行機(jī)制

XA 模式運(yùn)行在 Seata 定義的事務(wù)框架內(nèi)：

執(zhí)行階段(E xecute)：

XA start/XA end/XA prepare + SQL + 注冊(cè)分支

完成階段(F inish)：

XA commit/XA rollback

2. 數(shù)據(jù)源代理

XA 模式需要 XAConnection。

獲取 XAConnection 兩種方式：

方式一：要求開發(fā)者配置 XADataSource
方式二：根據(jù)開發(fā)者的普通 DataSource 來創(chuàng)建

第一種方式，給開發(fā)者增加了認(rèn)知負(fù)擔(dān)，需要為 XA 模式專門去學(xué)習(xí)和使用 XA 數(shù)據(jù)源，與透明化 XA 編程模型的設(shè)計(jì)目標(biāo)相違背。

第二種方式，對(duì)開發(fā)者比較友好，和 AT 模式使用一樣，開發(fā)者完全不必關(guān)心 XA 層面的任何問題，保持本地編程模型即可。

我們優(yōu)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)第二種方式：數(shù)據(jù)源代理根據(jù)普通數(shù)據(jù)源中獲取的普通 JDBC 連接創(chuàng)建出相應(yīng)的 XAConnection。

類比 AT 模式的數(shù)據(jù)源代理機(jī)制，如下：

但是，第二種方法有局限：無法保證兼容的正確性。

實(shí)際上，這種方法是在做數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)程序要做的事情。不同的廠商、不同版本的數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制是廠商私有的，我們只能保證在充分測(cè)試過的驅(qū)動(dòng)程序上是正確的，開發(fā)者使用的驅(qū)動(dòng)程序版本差異很可能造成機(jī)制的失效。

這點(diǎn)在 Oracle 上體現(xiàn)非常明顯。參見 Druid issue：https://github.com/alibaba/druid/issues/3707

綜合考慮，XA 模式的數(shù)據(jù)源代理設(shè)計(jì)需要同時(shí)支持第一種方式：基于 XA 數(shù)據(jù)源進(jìn)行代理。

類比 AT 模式的數(shù)據(jù)源代理機(jī)制，如下：

3. 分支注冊(cè)

XA start 需要 Xid 參數(shù)。

這個(gè) Xid 需要和 Seata 全局事務(wù)的 XID 和 BranchId 關(guān)聯(lián)起來，以便由 TC 驅(qū)動(dòng) XA 分支的提交或回滾。

目前 Seata 的 BranchId 是在分支注冊(cè)過程，由 TC 統(tǒng)一生成的，所以 XA 模式分支注冊(cè)的時(shí)機(jī)需要在 XA start 之前。

將來一個(gè)可能的優(yōu)化方向：

把分支注冊(cè)盡量延后。類似 AT 模式在本地事務(wù)提交之前才注冊(cè)分支，避免分支執(zhí)行失敗情況下，沒有意義的分支注冊(cè)。

這個(gè)優(yōu)化方向需要 BranchId 生成機(jī)制的變化來配合。BranchId 不通過分支注冊(cè)過程生成，而是生成后再帶著 BranchId 去注冊(cè)分支。

小結(jié)

這里只通過幾個(gè)重要的核心設(shè)計(jì)，說明 XA 模式的基本工作機(jī)制。

此外，還有包括連接保持、異常處理等重要方面，有興趣可以從項(xiàng)目代碼中進(jìn)一步了解。

以后會(huì)陸續(xù)寫出來和大家交流。

3.1.3 演進(jìn)規(guī)劃

XA 模式總體的演進(jìn)規(guī)劃如下：

第 1 步(已經(jīng)完成)：首個(gè)版本(1.2.0)，把 XA 模式原型機(jī)制跑通。確保只增加，不修改，不給其他模式引入的新問題。

第 2 步(計(jì)劃 5 月完成)：與 AT 模式必要的融合、重構(gòu)。

第 3 步(計(jì)劃 7 月完成)：完善異常處理機(jī)制，進(jìn)行上生產(chǎn)所必需的打磨。

第 4 步(計(jì)劃 8 月完成)：性能優(yōu)化。

第 5 步(計(jì)劃 2020 年內(nèi)完成)：結(jié)合 Seata 項(xiàng)目正在進(jìn)行的面向云原生的 Transaction Mesh 設(shè)計(jì)，打造云原生能力。

3.2 XA 模式的使用

從編程模型上，XA 模式與 AT 模式保持完全一致。

可以參考 Seata 官網(wǎng)的樣例：seata-xa

樣例場(chǎng)景是 Seata 經(jīng)典的，涉及庫(kù)存、訂單、賬戶 3 個(gè)微服務(wù)的商品訂購(gòu)業(yè)務(wù)。

在樣例中，上層編程模型與 AT 模式完全相同。只需要修改數(shù)據(jù)源代理，即可實(shí)現(xiàn) XA 模式與 AT 模式之間的切換。

@Bean("dataSourceProxy") 
   public DataSource dataSource(DruidDataSource druidDataSource) { 
       // DataSourceProxy for AT mode 
       // return new DataSourceProxy(druidDataSource); 
 
       // DataSourceProxyXA for XA mode 
       return new DataSourceProxyXA(druidDataSource); 
   }

4. 總結(jié)

在當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展階段，不存一個(gè)分布式事務(wù)處理機(jī)制可以完美滿足所有場(chǎng)景的需求。

一致性、可靠性、易用性、性能等諸多方面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)約束，需要用不同的事務(wù)處理機(jī)制去滿足。

Seata 項(xiàng)目最核心的價(jià)值在于：構(gòu)建一個(gè)全面解決分布式事務(wù)問題的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)。

基于 Seata，上層應(yīng)用架構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景的需求，靈活選擇合適的分布式事務(wù)解決方案。

當(dāng)然 XA 模式和 Seata 項(xiàng)目本身都還不盡完美，有很多需要改進(jìn)和完善的地方。非常歡迎大家參與到項(xiàng)目的建設(shè)中，共同打造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的分布式事務(wù)平臺(tái)。

作者簡(jiǎn)介：煊檍，GitHub ID：sharajava，阿里巴巴中件間 GTS 研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，SEATA 開源項(xiàng)目發(fā)起人，曾在 Oracle 北京研發(fā)中心多年，從事 WebLogic 核心研發(fā)工作。長(zhǎng)期專注于中間件，尤其是分布式事務(wù)領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)踐。

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