《我想進大廠》之分布式事務(wù)篇

作者：艾小仙 2021-01-19 05:43:33

開發(fā) 前端分布式

對于分布式事務(wù)，相信所有人都應該很了解，為什么會有分布式事務(wù)?無論是數(shù)據(jù)量導致的分庫，還是現(xiàn)在微服務(wù)盛行的場景都是他出現(xiàn)的原因。

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這一篇內(nèi)容還是避免不了俗套，主要的范圍無非是XA、2PC、3PC、TCC，再最后到Seata。

但是，我認為這東西，只是適用于面試和理論的了解，你真要說這些方案實際生產(chǎn)中有人用嗎?

有，但是會實現(xiàn)的更簡單，不會套用理論來實現(xiàn)，大廠有大廠的解決方案，中小公司用框架或者壓根就不存在分布式事務(wù)的問題。

那，為什么還要寫這個?

為了你面試八股文啊，小可愛。

事務(wù)

要說分布式事務(wù)，首先還是從事務(wù)的基本特征說起。

A原子性：在事務(wù)的執(zhí)行過程中，要么全部執(zhí)行成功，要么都不成功。

C一致性：事務(wù)在執(zhí)行前后，不能破壞數(shù)據(jù)的完整性。一致性更多的說的是通過AID來達到目的，數(shù)據(jù)應該符合預先的定義和約束，由應用層面來保證，還有的說法是C是強行為了ACID湊出來的。

I隔離性：多個事務(wù)之間是互相隔離的，事務(wù)之間不能互相干擾，涉及到不同事務(wù)的隔離級別的問題。

D持久性：一旦事務(wù)提交，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的狀態(tài)就應該是永久性的。

XA(eXtended Architecture)是指由X/Open 組織提出的分布式事務(wù)處理的規(guī)范，他是一個規(guī)范或者說是協(xié)議，定義了事務(wù)管理器TM(Transaction Manager)，資源管理器RM(Resource Manager)，和應用程序。

事務(wù)管理器TM就是事務(wù)的協(xié)調(diào)者，資源管理器RM可以認為就是一個數(shù)據(jù)庫。

2PC

XA定義了規(guī)范，那么2PC和3PC就是他的具體實現(xiàn)方式。

2PC叫做二階段提交，分為投票階段和執(zhí)行階段兩個階段。

投票階段

TM向所有的參與者發(fā)送prepare請求，詢問是否可以執(zhí)行事務(wù)，等待各個參與者的響應。

這個階段可以認為只是執(zhí)行了事務(wù)的SQL語句，但是還沒有提交。

如果都執(zhí)行成功了就返回YES，否則返回NO。

執(zhí)行階段

執(zhí)行階段就是真正的事務(wù)提交的階段，但是要考慮到失敗的情況。

如果所有的參與者都返回YES，那么就執(zhí)行發(fā)送commit命令，參與者收到之后執(zhí)行提交事務(wù)。

反之，只要有任意一個參與者返回的是NO的話，就發(fā)送rollback命令，然后執(zhí)行回滾的操作。

2PC的缺陷

同步阻塞，可以看到，在執(zhí)行事務(wù)的過程當中，所有數(shù)據(jù)庫的資源都被鎖定，如果這時候有其他人來訪問這些資源，將會被阻塞，這是一個很大的性能問題。
TM單點問題，只要一個TM，一旦TM宕機，那么整個流程無法繼續(xù)完成。
數(shù)據(jù)不一致，如果在執(zhí)行階段，參與者腦裂或者其他故障導致沒有收到commit請求，部分提交事務(wù)，部分未提交，那么數(shù)據(jù)不一致的問題就產(chǎn)生了。

3PC

既然2PC有這么多問題，所以就衍生出了3PC的概念，也叫做三階段提交，他把整個流程分成了CanCommit、PreCommit、DoCommit三個步驟，相比2PC，增加的就是CanCommit階段。

CanCommit

這個階段就是先詢問數(shù)據(jù)庫是否執(zhí)行事務(wù)，發(fā)送一個canCommit的請求去詢問，如果可以的話就返回YES，反之返回NO。

PreCommit

這個階段就等同于2PC的投票階段了，發(fā)送preCommit命令，然后去執(zhí)行SQL事務(wù)，成功就返回YES，反之返回NO。

但是，這個地方的區(qū)別在于參與者有了超時機制，如果參與者超時未收到doCommit命令的話，將會默認去提交事務(wù)。

DoCommit

DoCommit階段對應到2PC的執(zhí)行階段，如果上一個階段都是收到Y(jié)ES的話，那么就發(fā)送doCommit命令去提交事務(wù)，反之則會發(fā)送abort命令去中斷事務(wù)的執(zhí)行。

相比2PC的改進

對于2PC的同步阻塞的問題，我們可以看到因為3PC加入了參與者的超時機制，所以原來2PC的如果某個參與者故障導致的同步阻塞的問題時間縮短了，這是一個優(yōu)化，但是并沒有完全避免。

第二個單點故障的問題，同樣因為超時機制的引入，一定程度上也算是優(yōu)化了。

但是數(shù)據(jù)不一致的問題，這個始終沒有得到解決。

舉個栗子：

在PreCommit階段，某個參與者發(fā)生腦裂，無法收到TM的請求，這時候其他參與者執(zhí)行abort事務(wù)回滾，而腦裂的參與者超時之后繼續(xù)提交事務(wù)，還是有可能發(fā)生數(shù)據(jù)不一致的問題。

那么，為什么要加入DoCommit這個階段呢?就是為了引入超時機制，事先我們先確認數(shù)據(jù)庫是否都可以執(zhí)行事務(wù)，如果都OK，那么才會進入后面的步驟，所以既然都可以執(zhí)行，那么超時之后說明發(fā)生了問題，就自動提交事務(wù)。

TCC

TCC的模式叫做Try、Confirm、Cancel，實際上也就是2PC的一個變種而已。

實現(xiàn)這個模式，一個事務(wù)的接口需要拆分成3個，也就是Try預占、Confirm確認提交、最后Cancel回滾。

對于TCC來說，實際生產(chǎn)我基本上就沒看見過有人用，考慮到原因，首先是程序員的本身素質(zhì)參差不齊，多個團隊協(xié)作你很難去約束別人按照你的規(guī)則來實現(xiàn)，另外一點就是太過于復雜。

如果說有簡單的應用的話，庫存的應用或許可以算做是一個。

一般庫存的操作，很多實現(xiàn)方案里面都會會在下單的時候先預占庫存，下單成功之后再實際去扣減庫存，最終如果發(fā)生了異常再回退。

凍結(jié)、預占庫存就是2PC的準備階段，真正下單成功去扣減庫存就是2PC的提交階段，回滾就是某個發(fā)生異常的回滾操作，只不過在應用層面來實現(xiàn)了2PC的機制而已。

SAGA

Saga源于1987 年普林斯頓大學的 Hecto 和 Kenneth 發(fā)表的如何處理 long lived transaction(長活事務(wù))論文。

主要思想就是將長事務(wù)拆分成多個本地短事務(wù)。

如果全部執(zhí)行成功，就正常完成了，反之，則會按照相反的順序依次調(diào)用補償。

SAGA模式有兩種恢復策略：

向前恢復，這個模式偏向于一定要成功的場景，失敗則會進行重試
向后恢復，也就是發(fā)生異常的子事務(wù)依次回滾補償

由于這個模式在國內(nèi)基本沒看見有誰用的，不在贅述。

消息隊列

基于消息隊列來實現(xiàn)最終一致性的方案，這個相比前面的我個人認為還稍微靠譜一點，那些都是理論啊，正常生產(chǎn)的實現(xiàn)很少看見應用。

基于消息隊列的可能真正在應用的還稍微多一點。

一般來說有兩種方式，基于本地消息表和依賴MQ本身的事務(wù)消息。

本地消息表的這個方案其實更復雜，實際上我也沒看到過真正誰來用。這里我以RocketMQ的事務(wù)消息來舉例，這個方式相比本地消息表則更完全依賴MQ本身的特性做了解耦，釋放了業(yè)務(wù)開發(fā)的復雜工作量。

業(yè)務(wù)發(fā)起方，調(diào)用遠程接口，向MQ發(fā)送一條半事務(wù)消息，MQ收到消息之后會返回給生產(chǎn)者一個ACK
生產(chǎn)者收到ACK之后，去執(zhí)行事務(wù)，但是事務(wù)還沒有提交。
生產(chǎn)者會根據(jù)事務(wù)的執(zhí)行結(jié)果來決定發(fā)送commit提交或者rollback回滾到MQ
這一點是發(fā)生異常的情況，比如生產(chǎn)者宕機或者其他異常導致MQ長時間沒有收到commit或者rollback的消息，這時候MQ會發(fā)起狀態(tài)回查。
MQ如果收到的是commit的話就會去投遞消息，消費者正常消費消息即可。如果是rollback的話，則會在設(shè)置的固定時間期限內(nèi)去刪除消息。

這個方案基于MQ來保證消息事務(wù)的最終一致性，還算是一個比較合理的解決方案，只要保證MQ的可靠性就可以正常實施應用，業(yè)務(wù)消費方根據(jù)本身的消息重試達到最終一致性。

框架

以上說的都是理論和自己實現(xiàn)的方式，那么分布式事務(wù)就沒有框架來解決我們的問題嗎?

有，其實還不少，但是沒有能扛旗者出現(xiàn)，要說有，阿里的開源框架Seata還有阿里云的GTS。

GTS(Global Transaction Service 全局事務(wù)服務(wù))是阿里云的中間件產(chǎn)品，只要你用阿里云，付錢就可以用GTS。

Seata(Simple Extensible Autonomous Transaction Architecture)則是開源的分布式事務(wù)框架，提供了對TCC、XA、Saga以及AT模式的支持。

那么，GTS和Seata有什么關(guān)系呢?

實際上最開始的時候他們都是基于阿里內(nèi)部的TXC(Taobao Transaction Constructor)分布式中間件產(chǎn)品，然后TXC經(jīng)過改造上了阿里云就叫做GTS。

之后阿里的中間件團隊基于TXC和GTS做出了開源的Seata，其中AT(Automatic Transaction)模式就是GTS原創(chuàng)的方案。

至于現(xiàn)在的版本，可以大致認為他們就是一樣的就行了，到2020年，GTS已經(jīng)全面兼容了Seata的 GA 版本。

圖片來自阿里云官網(wǎng)GTS

整個GTS或者Seata包含以下幾個核心組件：

Transaction Coordinator(TC)：事務(wù)協(xié)調(diào)器，維護全局事務(wù)的運行狀態(tài)，負責協(xié)調(diào)并驅(qū)動全局事務(wù)的提交或回滾。
Transaction Manager(TM)：控制全局事務(wù)的邊界，負責開啟一個全局事務(wù)，并最終發(fā)起全局提交或全局回滾的決議。
Resource Manager(RM)：控制分支事務(wù)，負責分支注冊、狀態(tài)匯報，并接收事務(wù)協(xié)調(diào)器的指令，驅(qū)動分支(本地)事務(wù)的提交和回滾。

無論對于TCC還是原創(chuàng)的AT模式的支持，整個分布式事務(wù)的原理其實相對來說還是比較容易理解。

事務(wù)開啟時，TM向TC注冊全局事務(wù)，并且獲得全局事務(wù)XID
這時候多個微服務(wù)的接口發(fā)生調(diào)用，XID就會傳播到各個微服務(wù)中，每個微服務(wù)執(zhí)行事務(wù)也會向TC注冊分支事務(wù)。
之后TM就可以管理針對每個XID的事務(wù)全局提交和回滾，RM完成分支的提交或者回滾。

核心組件定義-圖片來自阿里云官網(wǎng)

AT模式

原創(chuàng)的AT模式相比起TCC的方案來說，無需自己實現(xiàn)多個接口，通過代理數(shù)據(jù)源的形式生成更新前后的UNDO_LOG，依靠UNDO_LOG來實現(xiàn)回滾的操作。

執(zhí)行的流程如下：

TM向TC注冊全局事務(wù)，獲得XID
RM則會去代理JDBC數(shù)據(jù)源，生成鏡像的SQL，形成UNDO_LOG，然后向TC注冊分支事務(wù)，把數(shù)據(jù)更新和UNDO_LOG在本地事務(wù)中一起提交
TC如果收到commit請求，則會異步去刪除對應分支的UNDO_LOG，如果是rollback，就去查詢對應分支的UNDO_LOG，通過UNDO_LOG來執(zhí)行回滾