分布式事务解决方案之2PC

news2024/11/15 2:18:25

分布式事务解决方案之2PC

前面已经学习了分布式事务的基础理论，以理论为基础，针对不同的分布式场景业界常见的解决方案有2PC、 TCC、可靠消息最终一致性、最大努力通知这几种。

什么是2PC

2PC即两阶段提交协议，是将整个事务流程分为两个阶段，准备阶段（Prepare phase）、提交阶段（commit phase），2是指两个阶段，P是指准备阶段，C是指提交阶段。

举例：张三和李四好久不见，老友约起聚餐，饭店老板要求先买单，才能出票。这时张三和李四分别抱怨近况不如 意，囊中羞涩，都不愿意请客，这时只能AA。只有张三和李四都付款，老板才能出票安排就餐。但由于张三和李四 都是铁公鸡，形成了尴尬的一幕：

准备阶段：老板要求张三付款，张三付款。老板要求李四付款，李四付款。

提交阶段：老板出票，两人拿票纷纷落座就餐。

例子中形成了一个事务，若张三或李四其中一人拒绝付款，或钱不够，店老板都不会给出票，并且会把已收款退 回。

整个事务过程由事务管理器和参与者组成，店老板就是事务管理器，张三、李四就是事务参与者，事务管理器负责 决策整个分布式事务的提交和回滚，事务参与者负责自己本地事务的提交和回滚。

在计算机中部分关系数据库如Oracle、MySQL支持两阶段提交协议，如下图：

1. 准备阶段（Prepare phase）：事务管理器给每个参与者发送Prepare消息，每个数据库参与者在本地执行事 务，并写本地的Undo/Redo日志，此时事务没有提交。（Undo日志是记录修改前的数据，用于数据库回滚，Redo日志是记录修改后的数据，用于提交事务后写入数 据文件）

2. 提交阶段（commit phase）：如果事务管理器收到了参与者的执行失败或者超时消息时，直接给每个参与者 发送回滚(Rollback)消息；否则，发送提交(Commit)消息；参与者根据事务管理器的指令执行提交或者回滚操 作，并释放事务处理过程中使用的锁资源。注意:必须在最后阶段释放锁资源。

下图展示了2PC的两个阶段，分成功和失败两个情况说明：

成功情况：

失败情况：

解决方案

XA方案

2PC的传统方案是在数据库层面实现的，如Oracle、MySQL都支持2PC协议，为了统一标准减少行业内不必要的对 接成本，需要制定标准化的处理模型及接口标准，国际开放标准组织Open Group定义了分布式事务处理模型 DTP（Distributed Transaction Processing Reference Model）。

为了让大家更明确XA方案的内容程，下面新用户注册送积分为例来说明：

执行流程如下：

1、应用程序（AP）持有用户库和积分库两个数据源。

2、应用程序（AP）通过TM通知用户库RM新增用户，同时通知积分库RM为该用户新增积分，RM此时并未提交事 务，此时用户和积分资源锁定。

3、TM收到执行回复，只要有一方失败则分别向其他RM发起回滚事务，回滚完毕，资源锁释放。

4、TM收到执行回复，全部成功，此时向所有RM发起提交事务，提交完毕，资源锁释放。 

DTP模型定义如下角色：

AP(Application Program)：即应用程序，可以理解为使用DTP分布式事务的程序。

RM(Resource Manager)：即资源管理器，可以理解为事务的参与者，一般情况下是指一个数据库实例，通过 资源管理器对该数据库进行控制，资源管理器控制着分支事务。

TM(Transaction Manager)：事务管理器，负责协调和管理事务，事务管理器控制着全局事务，管理事务生命 周期，并协调各个RM。全局事务是指分布式事务处理环境中，需要操作多个数据库共同完成一个工作，这个 工作即是一个全局事务。

DTP模型定义TM和RM之间通讯的接口规范叫XA，简单理解为数据库提供的2PC接口协议，基于数据库的XA 协议来实现2PC又称为XA方案。

以上三个角色之间的交互方式如下：

1）TM向AP提供 应用程序编程接口，AP通过TM提交及回滚事务。

2）TM交易中间件通过XA接口来通知RM数据库事务的开始、结束以及提交、回滚等。

总结：

整个2PC的事务流程涉及到三个角色AP、RM、TM。AP指的是使用2PC分布式事务的应用程序；RM指的是资 源管理器，它控制着分支事务；TM指的是事务管理器，它控制着整个全局事务。

1）在准备阶段RM执行实际的业务操作，但不提交事务，资源锁定；

2）在提交阶段TM会接受RM在准备阶段的执行回复，只要有任一个RM执行失败，TM会通知所有RM执行回滚操 作，否则，TM将会通知所有RM提交该事务。提交阶段结束资源锁释放。

XA方案的问题：

1、需要本地数据库支持XA协议。

2、资源锁需要等到两个阶段结束才释放，性能较差。

Seata方案

Seata是由阿里中间件团队发起的开源项目 Fescar，后更名为Seata，它是一个是开源的分布式事务框架。

传统2PC的问题在Seata中得到了解决，它通过对本地关系数据库的分支事务的协调来驱动完成全局事务，是工作 在应用层的中间件。主要优点是性能较好，且不长时间占用连接资源，它以高效并且对业务0侵入的方式解决微服 务场景下面临的分布式事务问题，它目前提供AT模式(即2PC)及TCC模式的分布式事务解决方案。

Seata的设计思想如下：

Seata的设计目标其一是对业务无侵入，因此从业务无侵入的2PC方案着手，在传统2PC的基础上演进，并解决 2PC方案面临的问题。

Seata把一个分布式事务理解成一个包含了若干分支事务的全局事务。全局事务的职责是协调其下管辖的分支事务 达成一致，要么一起成功提交，要么一起失败回滚。此外，通常分支事务本身就是一个关系数据库的本地事务，下 图是全局事务与分支事务的关系图：

与 传统2PC 的模型类似，Seata定义了3个组件来协议分布式事务的处理过程：

 Transaction Coordinator (TC)： 事务协调器，它是独立的中间件，需要独立部署运行，它维护全局事务的运 行状态，接收TM指令发起全局事务的提交与回滚，负责与RM通信协调各各分支事务的提交或回滚。

Transaction Manager (TM)： 事务管理器，TM需要嵌入应用程序中工作，它负责开启一个全局事务，并最终 向TC发起全局提交或全局回滚的指令。

Resource Manager (RM)： 控制分支事务，负责分支注册、状态汇报，并接收事务协调器TC的指令，驱动分 支（本地）事务的提交和回滚。 

还拿新用户注册送积分举例Seata的分布式事务过程：

具体的执行流程如下：

1. 用户服务的 TM 向 TC 申请开启一个全局事务，全局事务创建成功并生成一个全局唯一的XID。

2. 用户服务的 RM 向 TC 注册 分支事务，该分支事务在用户服务执行新增用户逻辑，并将其纳入 XID 对应全局 事务的管辖。

3. 用户服务执行分支事务，向用户表插入一条记录。

4. 逻辑执行到远程调用积分服务时(XID 在微服务调用链路的上下文中传播)。积分服务的RM 向 TC 注册分支事 务，该分支事务执行增加积分的逻辑，并将其纳入 XID 对应全局事务的管辖。

5. 积分服务执行分支事务，向积分记录表插入一条记录，执行完毕后，返回用户服务。

6. 用户服务分支事务执行完毕。

7. TM 向 TC 发起针对 XID 的全局提交或回滚决议。 8. TC 调度 XID 下管辖的全部分支事务完成提交或回滚请求。 

Seata实现2PC与传统2PC的差别：

架构层次方面，传统2PC方案的 RM 实际上是在数据库层，RM 本质上就是数据库自身，通过 XA 协议实现，而 Seata的 RM 是以jar包的形式作为中间件层部署在应用程序这一侧的。

两阶段提交方面，传统2PC无论第二阶段的决议是commit还是rollback，事务性资源的锁都要保持到Phase2完成 才释放。而Seata的做法是在Phase1 就将本地事务提交，这样就可以省去Phase2持锁的时间，整体提高效率。

seata实现2PC事务

业务说明

本示例通过Seata中间件实现分布式事务，模拟三个账户的转账交易过程。

两个账户在三个不同的银行(张三在bank1、李四在bank2)，bank1和bank2是两个个微服务。交易过程是，张三 给李四转账指定金额

上述交易步骤，要么一起成功，要么一起失败，必须是一个整体性的事务。

程序组成部分 

本示例程序组成部分如下：

数据库：MySQL-5.7.25

包括bank1和bank2两个数据库。

JDK：64位 jdk1.8.0_201

微服务框架：spring-boot-2.1.3、spring-cloud-Greenwich.RELEASE

seata客户端（RM、TM）：spring-cloud-alibaba-seata-2.1.0.RELEASE

seata服务端(TC)：seata-server-0.7.1

微服务及数据库的关系 ：

dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank1 银行1，操作张三账户， 连接数据库bank1

dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank2 银行2，操作李四账户，连接数据库bank2

服务注册中心：dtx/discover-server

本示例程序技术架构如下：

交互流程如下：

1、请求bank1进行转账，传入转账金额。

2、bank1减少转账金额，调用bank2，传入转账金额。 

创建数据库

导入数据库脚本：资料\sql\bank1.sql、资料\sql\bank2.sql

包括如下数据库：

CREATE DATABASE `bank1` CHARACTER SET 'utf8' COLLATE 'utf8_general_ci';
DROP TABLE IF EXISTS `account_info`;
CREATE TABLE `account_info` (
`id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`account_name` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '户
主姓名',
`account_no` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '银行
卡号',
`account_password` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT
'帐户密码',
`account_balance` double NULL DEFAULT NULL COMMENT '帐户余额',
PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT = 5 CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_bin ROW_FORMAT =
Dynamic;
INSERT INTO `account_info` VALUES (2, '张三的账户', '1', '', 10000);

bank2库，包含李四账户

CREATE DATABASE `bank2` CHARACTER SET 'utf8' COLLATE 'utf8_general_ci';
CREATE TABLE `account_info` (
`id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`account_name` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '户
主姓名',
`account_no` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '银行
卡号',
`account_password` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT
'帐户密码',
`account_balance` double NULL DEFAULT NULL COMMENT '帐户余额',
PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT = 5 CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_bin ROW_FORMAT =
Dynamic;
INSERT INTO `account_info` VALUES (3, '李四的账户', '2', NULL, 0)；

分别在bank1、bank2库中创建undo_log表，此表为seata框架使用：

CREATE TABLE `undo_log` (
`id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`branch_id` bigint(20) NOT NULL,
`xid` varchar(100) NOT NULL,
`context` varchar(128) NOT NULL,
`rollback_info` longblob NOT NULL,
`log_status` int(11) NOT NULL,
`log_created` datetime NOT NULL,
`log_modified` datetime NOT NULL,
`ext` varchar(100) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `ux_undo_log` (`xid`,`branch_id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8;

启动TC(事务协调器)

（1）下载seata服务器

下载地址：https://github.com/seata/seata/releases/download/v0.7.1/seata-server-0.7.1.zip

（2）解压并启动

[seata服务端解压路径]/bin/seata-server.bat -p 8888 -m file

注：其中8888为服务端口号；file为启动模式，这里指seata服务将采用文件的方式存储信息。

如上图出现“Server started...”的字样则表示启动成功。

discover-server 

discover-server是服务注册中心，测试工程将自己注册至discover-server。

导入案例工程dtx-seata-demo

dtx-seata-demo是seata的测试工程，根据业务需求需要创建两个dtx-seata-demo工程。

（1）导入dtx-seata-demo

导入：资料\基础代码\dtx-seata-demo到父工程dtx下。

两个测试工程如下：

dtx/dtx-seata-demo/dtx-seata-demo-bank1 ，操作张三账户，连接数据库bank1

dtx/dtx-seata-demo/dtx-seata-demo-bank2 ，操作李四账户，连接数据库bank2

（2）父工程maven依赖说明

在dtx父工程中指定了SpringBoot和SpringCloud版本

<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring‐boot‐dependencies</artifactId>
<version>2.1.3.RELEASE</version>
<type>pom</type>
<scope>import</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.cloud</groupId>
<artifactId>spring‐cloud‐dependencies</artifactId>
<version>Greenwich.RELEASE</version>
<type>pom</type>
<scope>import</scope>
</dependency>

在dtx-seata-demo父工程中指定了spring-cloud-alibaba-dependencies的版本。

<dependency>
<groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
<artifactId>spring‐cloud‐alibaba‐dependencies</artifactId>
<version>2.1.0.RELEASE</version>
<type>pom</type>
<scope>import</scope>
</dependency>

（3）配置seata

在src/main/resource中，新增registry.conf、file.conf文件，内容可拷贝seata-server-0.7.1中的配置文件子。

在registry.conf中registry.type使用file：

在file.conf中更改service.vgroup_mapping.[springcloud服务名]-fescar-service-group = "default"，并修改 service.default.grouplist =[seata服务端地址]

关于vgroup_mapping的配置：

vgroup_mapping.事务分组服务名=Seata Server集群名称（默认名称为default） 

default.grouplist = Seata Server集群地址

在 org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-alibaba-seata 的

org.springframework.cloud.alibaba.seata.GlobalTransactionAutoConfiguration 类中，默认会使用

${spring.application.name}-fescar-service-group 作为事务分组服务名注册到 Seata Server上，如果和

file.conf 中的配置不一致，会提示 no available server to connect 错误
 

（4）创建代理数据源

新增DatabaseConfiguration.java，Seata的RM通过DataSourceProxy才能在业务代码的事务提交时，通过这个切 入点，与TC进行通信交互、记录undo_log等。

@Configuration
public class DatabaseConfiguration {
@Bean
@ConfigurationProperties(prefix = "spring.datasource.ds0")
public DruidDataSource ds0() {
DruidDataSource druidDataSource = new DruidDataSource();
return druidDataSource;
}
@Primary
@Bean
public DataSource dataSource(DruidDataSource ds0) {
DataSourceProxy pds0 = new DataSourceProxy(ds0);
return pds0;
}
}

Seata执行流程

1、正常提交流程

2、回滚流程 

回滚流程省略前的RM注册过程。

要点说明：

1、每个RM使用DataSourceProxy连接数据库，其目的是使用ConnectionProxy，使用数据源和数据连接代理的目 的就是在第一阶段将undo_log和业务数据放在一个本地事务提交，这样就保存了只要有业务操作就一定有 undo_log。

2、在第一阶段undo_log中存放了数据修改前和修改后的值，为事务回滚作好准备，所以第一阶段完成就已经将分 支事务提交，也就释放了锁资源。

3、TM开启全局事务开始，将XID全局事务id放在事务上下文中，通过feign调用也将XID传入下游分支事务，每个 分支事务将自己的Branch ID分支事务ID与XID关联。

4、第二阶段全局事务提交，TC会通知各各分支参与者提交分支事务，在第一阶段就已经提交了分支事务，这里各 各参与者只需要删除undo_log即可，并且可以异步执行，第二阶段很快可以完成。

5、第二阶段全局事务回滚，TC会通知各各分支参与者回滚分支事务，通过 XID 和 Branch ID 找到相应的回滚日 志，通过回滚日志生成反向的 SQL 并执行，以完成分支事务回滚到之前的状态，如果回滚失败则会重试回滚操 作。 

dtx-seata-demo-bank1

dtx-seata-demo-bank1实现如下功能：

1、张三账户减少金额，开启全局事务。

2、远程调用bank2向李四转账。

（1）DAO

@Mapper
@Component
public interface AccountInfoDao {
//更新账户金额
@Update("update account_info set account_balance = account_balance + #{amount} where
account_no = #{accountNo}")
int updateAccountBalance(@Param("accountNo") String accountNo, @Param("amount") Double
amount);
}

（2）FeignClient

远程调用bank2的客户端

@FeignClient(value = "seata‐demo‐bank2",fallback = Bank2ClientFallback.class)
public interface Bank2Client {
@GetMapping("/bank2/transfer")
String transfer(@RequestParam("amount") Double amount);
}

@Component
public class Bank2ClientFallback implements Bank2Client{
@Override
public String transfer(Double amount) {
return "fallback";
}
}

（3）Service

@Service
public class AccountInfoServiceImpl implements AccountInfoService {
private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AccountInfoServiceImpl.class);
@Autowired
AccountInfoDao accountInfoDao;
@Autowired
Bank2Client bank2Client;
//张三转账
@Override
@GlobalTransactional
@Transactional
public void updateAccountBalance(String accountNo, Double amount) {
logger.info("******** Bank1 Service Begin ... xid: {}" , RootContext.getXID());
//张三扣减金额
accountInfoDao.updateAccountBalance(accountNo,amount*‐1);
//向李四转账
String remoteRst = bank2Client.transfer(amount);
//远程调用失败
if(remoteRst.equals("fallback")){
throw new RuntimeException("bank1 下游服务异常");
}
//人为制造错误
if(amount==3){
throw new RuntimeException("bank1 make exception 3");
}
}
}

将@GlobalTransactional注解标注在全局事务发起的Service实现方法上，开启全局事务：

GlobalTransactionalInterceptor会拦截@GlobalTransactional注解的方法，生成全局事务ID(XID)，XID会在整个 分布式事务中传递。

在远程调用时，spring-cloud-alibaba-seata会拦截Feign调用将XID传递到下游服务。

（6）Controller

@RestController
public class Bank1Controller {
@Autowired
AccountInfoService accountInfoService;
//转账
@GetMapping("/transfer")
public String transfer(Double amount){
accountInfoService.updateAccountBalance("1",amount);
return "bank1"+amount;
}
}

dtx-seata-demo-bank2

dtx-seata-demo-bank2实现如下功能：

1、李四账户增加金额。

dtx-seata-demo-bank2在本账号事务中作为分支事务不使用@GlobalTransactional。

（1）DAO

@Mapper
@Component
public interface AccountInfoDao {
//向李四转账
@Update("UPDATE account_info SET account_balance = account_balance + #{amount} WHERE
account_no = #{accountNo}")
int updateAccountBalance(@Param("accountNo") String accountNo, @Param("amount") Double
amount);
}

（2）Service

@Service
public class AccountInfoServiceImpl implements AccountInfoService {
private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AccountInfoServiceImpl.class);
@Autowired
AccountInfoDao accountInfoDao;
@Override
@Transactional
public void updateAccountBalance(String accountNo, Double amount) {
logger.info("******** Bank2 Service Begin ... xid: {}" , RootContext.getXID());
//李四增加金额
accountInfoDao.updateAccountBalance(accountNo,amount);
//制造异常
if(amount==2){
throw new RuntimeException("bank1 make exception 2");
}
}
}

（3）Controller

@RestController
public class Bank2Controller {
@Autowired
AccountInfoService accountInfoService;
@GetMapping("/transfer")
public String transfer(Double amount){
accountInfoService.updateAccountBalance("2",amount);
return "bank2"+amount;
}
}

测试场景

张三向李四转账成功。

李四事务失败，张三事务回滚成功。

张三事务失败，李四事务回滚成功。

分支事务超时测试

小结

本节讲解了传统2PC（基于数据库XA协议）和Seata实现2PC的两种2PC方案，由于Seata的0侵入性并且解决了传 统2PC长期锁资源的问题，所以推荐采用Seata实现2PC。

Seata实现2PC要点：

1、全局事务开始使用 @GlobalTransactional标识 。

2、每个本地事务方案仍然使用@Transactional标识。

3、每个数据都需要创建undo_log表，此表是seata保证本地事务一致性的关键。

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