分布式系统架构设计之分布式事务的解决方案

news2024/9/21 2:34:28

针对以上分布式事务的挑战,现在业界也是有着对应的解决方案的,至于选择哪一种或者组合策略,需要架构师根据自己的实际系统和业务场景来进行决策。

1、两段式提交(2PC)

分布式事务的两段式提交(2PC)是一种解决分布式事务一致性的解决方案。它将分布式事务的提交过程分为两个阶段:准备阶段和提交阶段:

准备阶段

在准备阶段,事务协调者向所有事务参与者发送事务内容,询问是否可以提交事务,事务参与者收到事务内容后,开始执行事务操作,并将 undo 和 redo 信息记入事务日志中,如果参与者执行成功,给协调者回复 yes,表示可以进行事务提交,如果执行失败,给协调者回复 no,表示不可提交。

提交阶段

事务协调者根据参与者的回复,决定是否进行事务提交,如果所有参与者都回复 yes,则进行事务提交,如果存在参与者回复 no,则进行事务回滚。

在两段式提交(2PC)的解决方案中,确实可以保证分布式事务的一致性,可以确保分布式系统中数据的一致性和完整性,而且这种两段式提交的实现方案简单易懂,易于实现和维护。

但是两段式提交(2PC)的开销较大,需要多次网络通信和等待时间,其次可用性相对比较低,如果协调者节点发生故障,可能会导致整个分布式系统的事务处理受到影响。再者就是细节实现的复杂度比较高,因为需要处理各种异常情况和错误恢复机制。

2、三段式提交(3PC)

三段式提交(3PC)是对两段式提交(2PC)的一种改进,目的是为了改进在两段式提交(2PC)中的一些问题。它将分布式事务分为三个阶段:准备阶段、准备提交阶段和提交阶段:

准备阶段

事务协调者向所有事务参与者发送准备阶段的请求,事务参与者收到请求后,开始执行事务操作,并将 undo 和 redo 信息记入事务日志中,如果参与者执行成功,给协调者回复准备就绪状态,如果执行失败,给协调者回复失败信息。

准备提交阶段

事务协调者向所有参与者发送准备提交阶段的请求,参与者收到请求后,检查自己的状态,如果已经准备好,则向协调者回复准备提交状态,如果参与者未准备好,则向协调者回复未准备好信息。

提交阶段

事务协调者根据参与者的回复,决定是否进行事务提交,如果所有参与者都回复准备提交状态,则进行事务提交,如果存在参与者回复未准备好信息,则进行事务回滚。

三段式提交(3PC)能够更好地处理网络故障和节点故障等问题,提高系统的可用性和容错性,也可以更好地保证分布式事务的一致性,减少数据不一致的情况。

但是同样它也需要多次网络通信和等待时间,开销很大。其次同样是需要处理各种异常情况和错误恢复机制,复杂度较高。再者三段式提交可能会引入更多的故障点,比如在准备提交阶段和回滚阶段可能会出现故障或者延迟的问题。

3、TCC 模式(Try-Confirm-Cancel)

TCC 模式是一种在应用层实现的分布式事务解决方案,它将分布式事务分为 Try、Confirm、Cancel 三个阶段:

Try 阶段

事务协调者向所有事务参与者发送 Try 阶段的请求,事务参与者收到请求后,执行业务检查和资源预留等操作,如果业务检查失败或者资源预留失败,事务参与者向事务协调者发送 Cancel 请求,否则向事务协调者发送 Try 阶段的确认请求。

Confirm 阶段

事务协调者收到所有参与者的 Try 阶段确认请求后,向所有参与者发送 Confirm 阶段的请求,事务参与者收到请求后,执行业务确认操作,如果业务确认成功,事务参与者收到请求后,执行业务确认操作,如果业务确认成功,事务参与者向事务协调者发送 Confirm 阶段的确认请求,否则向事务协调者发送 Cancel 请求。

Cancel 阶段

事务协调者收到所有参与者的 Cancel 请求后,向所有参与者发送 Cancel 阶段的请求,事务参与者收到请求后,执行撤销操作,如果撤销成功,事务参与者向事务协调者发送 Cancel 阶段的确认请求,否则向事务协调者发送 Cancel 请求。

TCC 模式能够保证分布式事务的一致性,确保在分布式系统中数据的一致性和完整性。而且简单易懂,易于实现和维护。

但是 TCC 模式需要每个分支事务实现三个操作,预处理 Try、确认 Confirm、撤销 Cancel,增加系统的复杂性。其次,TCC 模式对业务侵入较大,需要业务代码实现 Try、Confirm、Cancel 三个接口,增加了开发难度和维护成本。再者 TCC 模式在 Cancel 阶段可能会重复执行,因此需要满足幂等性要求,增加了系统的复杂性和开发难度。

4、分布式事务框架 Seata

Seata(Simple Extensible Autonomous Transaction) 是一种开源的分布式事务解决方案,用于解决分布式系统中的事务一致性问题

Seata 核心组件
  1. Transaction Coordinator(TC):TC 是 Seata 的核心组件之一,负责协调全局事务的启动、提交、回滚等操作。它负责协调各个参与者的事务操作,并确保全局事务的一致性。
  2. Transaction Manager(TM):TM 是用于管理全局事务的生命周期,负责事务的开始、提交、回滚等操作。TM 和 TC 协同工作,确保全局事务的正确执行。
  3. Resource Manager(RM):RM 负责管理和控制分支事务(本地事务)的执行,每个参与全局事务的服务都有一个 RM,负责将本地事务的执行结果通知给 TC。
Seata 事务处理过程
  1. 全局事务开始(Begin):应用服务通过 TM 发起一个全局事务,TM 请求 TC 生成一个全局事务 ID,并将其分发给各个参与者(RM)。
  2. 分支事务注册(Register):每个参与者(RM)在本地事务开始时向 TC 注册分支事务,将全局事务 ID 和分支事务 ID 关联起来。
  3. 业务逻辑执行:应用服务执行本地事务(业务逻辑),在事务过程中会向 RM 报告分支事务的执行情况。
  4. 全局事务提交或回滚(Commit/Rollback):如果所有分支事务执行成功,TM 通知 TC 提交全局事务,如果有任何分支事务失败,TM 通知 TC 回滚全局事务。
  5. 分支事务提交或回滚:TC 根据 TM 的指令通知各个参与者(RM)提交或回滚本地事务。
Seata 支持的事务模型
  1. AT(ATomic Transaction): 提供类似于传统关系型数据库事务的 ACID 特性,支持本地事务的提交和回滚。
  2. TCC(Try-Confirm-Cancel): 通过三阶段提交实现,可以在不同服务间保障事务一致性。
  3. SAGA: 分布式长事务模型,通过各个阶段的补偿来保障最终一致性。
Seata 优势
  1. 易于集成: Seata 可以与各种框架和中间件(如Spring Cloud、Dubbo、gRPC等)集成,对业务逻辑的侵入性较小。
  2. 高性能: Seata 使用了优化的事务协议,减少了不必要的网络开销,提供了较高的性能。
  3. 可扩展: Seata 提供了插件机制,可以扩展新的事务协议、存储模式等,以满足不同场景的需求。
  4. 开源社区支持: Seata 是由阿里巴巴发起的开源项目,有庞大的社区支持,定期更新和维护。

5、Saga 模式

Saga 模式是一种微服务架构中常见的分布式事务处理模式。它针对分布式长事务的一种解决方案,它将长事务分解为一系列较小的事务,并且每个小事务都有对应的补偿操作。这样,即使在整个事务过程中的某个步骤失败,可以通过执行相应的补偿操作将系统状态回滚到一个合法的状态。Saga 模式通过拆分事务为多个小事务,提高了系统的可扩展性和容错性。

事务拆分
  1. 正向执行:Saga 将事务拆分成多个小事务,每个小事务都有对应的正向执行
  2. 补偿执行:如果在执行中发生错误,将执行相应的补偿操作,将事务状态回滚到之前的合法状态。
局部性和原子性
  1. 局部性:Saga 模式通过将事务拆分成多个小事务,使得每个小事务的影响范围有限,这提高了系统的局部性,降低了锁的粒度,减少了并发冲突。
  2. 原子性:每个小事务是一个原子操作,要么完全执行成功,要么完全回滚,可以确保了在整个事务过程中的原子性。
补偿机制
  1. 补偿操作:每个小事务都有对应的补偿操作,用于回滚该事务的影响。补偿操作要具备幂等性,确保多次执行产生相同的结果。
  2. 补偿事务:如果在正向执行中的某个步骤失败,Saga 模式会根据已执行的正向操作执行相应的补偿事务,将系统状态回滚到一个合法的状态。
协调和状态机
  1. 协调:Saga 模式需要一个协调者来协调各个局部事务的执行,协调者通常是一个独立的服务或组件。
  2. 状态机:使用状态机来管理事务的状态,以及每个小事务的执行情况,状态机记录事务进度,确保在失败时可以正确地执行补偿操作。
可靠消息机制
  1. 消息通知:在每个小事务的正向执行和补偿执行中,使用可靠消息机制通知其他服务或者组件。
  2. 异步执行:通过异步执行正向和补偿操作,提高了系统的性能和并发能力。
容错和重试
  1. 容错机制:对于在执行中发生的错误,Saga 模式提供了容错机制,使得在发生错误时能够执行相应的补偿操作。
  2. 重试策略:通过设计合理的重试策略,可以在发生错误时通过重试来达到一致性。

Saga 模式在微服务架构中被广泛应用,它通过将事务拆分为多个独立的步骤,降低了系统的复杂性,提高了系统的可扩展性。但是,Saga 模式也需要谨慎射击,确保每个步骤的幂等性和补偿操作的正确性,保证系统的一致性。

分布式事务处理是构建可靠、稳定分布式系统的关键组成部分。架构师需要综合考虑数据一致性、事务隔离性、原子性以及性能和可伸缩性等方面的问题。选择合适的分布式事务处理模式取决于具体应用场景和系统需求。在众多的设计选择中,深入理解每种模式的优缺点,并结合实际场景做出明智的选择,将有助于构建高效、可靠的分布式系统。

当然,虽然现在存在多种分布式事务处理方案,但每种方案都有其优缺点。架构师在实际应用中,需要根据具体的场景来选择合适的方案。未来,随着技术的不断发展,分布式事务处理将会更加成熟和高效。同时,随着云计算、大数据等技术的普及,分布式事务处理将会面临更多的挑战和机遇。

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