让您轻松理解分布式事务解决方案之2PC

╰+攻爆jí腚メ 2023-06-30 02:44 14阅读 0赞

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`等。

## 1. 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是指两阶段，P是指准备阶段，C是提交阶段。

举例 ：张三和李四好久不见，两人一起约看电影，电影院收银员要求先买单，才能出电影票。这时张三和李四分别抱怨近况不如意，囊肿羞涩，都不愿意请客，这时只能AA。只有张三和李四都付款，老板才能出票安排电影。但由于张三和李四都是铁公鸡，形成两尴尬的一幕 ：  
准备阶段 ：收银员分别要求张三、李四付款付款，张三付款、李四付款。  
提交阶段 ：收银员出票，两人拿票纷纷进入电影院。  
例子中形成两一个事务，若张三或李四其中一个拒绝付款，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两参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。

下图展示两2PC的两个阶段，分成功和失败两个情况说明 ：  
成功情况：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWRvbmcxNjY1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
失败情况 ：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWRvbmcxNjY1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 2. 2PC解决方案 ##

#### 2.1 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`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，下面新用户注册送积分为例来说明  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWRvbmcxNjY1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
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)` : `应用程序`，可以理解为使用DTP分布式事务的程序。
 *  `RM(Resource Manager)` : `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。

##### 2.1.1 XA方案总结 #####

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会接收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。

##### 2.1.2 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。

#### 2.2 Seata方案 ####

`Seata`是阿里中间件团队发起的开源项目`Fescar`，后更名`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`零入侵`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`、`Saga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入侵，因此从业务无入侵的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来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 ：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWRvbmcxNjY1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]  
与传统2PC的模型类似，Seata定义了三个组件来协议分布式事务的处理过程 ：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWRvbmcxNjY1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

*  `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通信协调各个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。

参考官网中用户购买商品的业务逻辑。整个业务逻辑由4个微服务提供支持：

*  库存服务：扣除给定商品的存储数量。
 *  订单服务：根据购买请求创建订单。
 *  帐户服务：借记用户帐户的余额。
 *  业务服务：处理业务逻辑。

请求逻辑架构  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWRvbmcxNjY1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
分布式事务控制的整个流程如下下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWRvbmcxNjY1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
具体的执行流程如下 ：

1.  业务服务的`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.  账户服务、订单服务、库存服务分别的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.  库存服务执行分支事务，向库存表更新一条库存记录（减少商品的库存），执行完毕返回给业务服务。
4.  订单服务执行分支事务，向订单表插入一条订单记录，同时执行到远程调用账户服务时（XID在微服务调用链路的上下文中传播）。账户服务的RM向TC注册分支事务，该分支事务执行减少账户余额的的逻辑，并将其纳入XID对应全局事务的管辖。  
    账户服务执行分支事务，向账户表更新一条记录（减少账户余额），执行完毕后，返回订单服务。
5.  订单服务分支事务执行完毕。
6.  TM向TC发起针对XID的全局提交或回滚决议。
7.  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的比较 ：

1.  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的这一侧的。
2.  两阶段提交方面，传统2PC无论第二阶段的决议是`commit`还是`rollbcak`，`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`。

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