最终一致性性分布式事务 TCC

红太狼 2023-09-28 16:05 141阅读 0赞

### 一、前言 ###

分布式事务：分布式条件下,多个节点操作的整体事务一致性。

特别是在微服务场景下,业务 A 和业务 B 关联,事务 A 成功,事务 B 失败,由于跨系统, 就会导致不被感知。 此时从整体来看,数据是不一致的。

分布式事务中的两大基本理论： `CAP` 理论 与 `Base` 理论。

分布式事务解决方案可以分为：

*  强一致性分布式事务解决方案：基于 `CAP` 理论
 *  最终一致性分布式事务解决方案：基于 `Base` 理论
    
    ![format_png][]

在最终一致性分布式事务解决方案中，典型的方案包括：

TCC

#### `TCC` 解决方案 ####

适用场景：适用于具有强隔离性、严格一致性要求的业务场景，也适用于执行时间比较短的业务。

`TCC` 方案执行流程：

![format_png 1][]

1.  `try` 阶段： 仅做业务的一致性检查和预留相应的资源。
2.  `confirm` 阶段： 当 `try` 阶段所有分支事务执行成功后开始执行 `confirm` 阶段。
    
    默认一定成功。出错（异常）：就要 **重试或者人工处理** ，对出错的事务进行干预。
3.  `cancel` 阶段： 在业务执行异常或出现错误的情况下，需要回滚事务的操作，执行分支事务的取消操作，并且释放 `try` 阶段预留的资源。
    
    默认一定成功。出错（异常）：就要 **重试或者人工处理** ，对出错的事务进行干预。

`TCC` 方案的优点：

1.  **锁定资源的粒度变小：** 提升系统的性能。
2.  **保证分布式事务执行后数据一致性：** `confirm` 阶段 和 `cancel` 阶段需具备幂等性。
3.  **解决 `XA` 规范的单点故障问题：** 主业务和分支业务都能集群部署。

`TCC` 方案的缺点：

1.  **耦合性：** 代码需要耦合到具体业务。
2.  **开发成本：** 业务方法都要拆分成 `try` 、 `confirm` 和 `cancel` 三个阶段。

#### `TCC` 需要注意的问题 ####

使用 `TCC` 方案解决分布式事务问题时，需要注意空回滚、悬挂和幂等的问题。

（1）空回滚问题

空回滚出现的原因：服务器宕机或者网络发生故障，未执行 `try` 阶段（或执行到一半）。

解决方案：判断是否执行了 `try` 阶段的方法

1.  全局事务 `ID` ：生成全局事务记录，贯穿整个分布式事务的执行流程。
2.  分支事务记录表：用于记录分支事务，将全局事务 `ID` 和 分支事务 `ID` 保存到分支事务表中。
3.  执行 `cancel` 阶段前，先读取分支事务表中的数据：
    
        try

（2）悬挂问题

悬挂问题出现的原因：预留业务资源后，无法继续往下处理。

1.  `try` 阶段：先注册分支事务，再执行 `RPC` 调用
2.  此时发生服务器宕机、应用崩溃或者网络异常等， `RPC` 调用超时
3.  判定 `RPC` 调用超时，就会回滚事务
4.  这时， `RPC` 请求到了对应业务方，但此时事务已经回滚， `try` 阶段预留的资源就无法释放了

解决方案：执行了 `confirm` 或 `cancel` 阶段，就不能再执行 `try` 阶段

1.  在执行 `try` 阶段的方法时，判断是否已有执行 `confirm` 或 `cancel` 阶段的记录
2.  如果存在，则不再执行 `try` 阶段的方法

（3）幂等问题

幂等主要是各业务方需要解决的业务问题。

幂等问题出现的原因：服务器宕机、应用崩溃或网络异常等原因，出现方法调用超时。

解决方案：可查状态

1.  增加事务的执行状态
2.  每次执行分支事务以及 `confirm` 阶段 和 `cancel` 阶段的方法时，都查询此事务的执行状态

#### 实际工作中 `TCC` 三种方案 ####

（1）通用型

通用型，最常用的。

![format_png 1][]

工作模板如下：

// 消息队列 + 事务消息
    public void doBusiness() {
        // 消息队列名称
        String queueName = "queue";
        // 消息内容：json 格式
        String msg = "{}";
        // 调用 MQ，预发送消息
        String msgId = msgService.createPreMsg(queueName, msg);
        
        try {
            // 执行业务1 try（业务层面需要做好幂等、悬挂）
            // 执行业务2 try（业务层面需要做好幂等、悬挂）
            // 执行业务3 try（业务层面需要做好幂等、悬挂）
        } catch (Exception e) {
            // 回滚业务1 cancel（业务层面需要做好幂等、悬挂、空回滚）
            // 回滚业务2 cancel（业务层面需要做好幂等、悬挂、空回滚）
            // 回滚业务3 cancel（业务层面需要做好幂等、悬挂、空回滚）
        }
        
        RpcContext.getContext().asyncCall(() -> {
            // 执行业务1 commit（业务层面需要做好幂等、悬挂）
            // 执行业务2 commit（业务层面需要做好幂等、悬挂）
            // 执行业务3 commit（业务层面需要做好幂等、悬挂）
            msgService.confirmMsg(queueName, msgId);
        });
    }
    复制代码

（2）异步确保型

你对接别人，还要别人加接口，别人肯定不愿意啊，还麻烦。

异步确保型 `TCC` 技术方案： 引入 **可靠消息服务**

*  优点：不要从业务服务进行配合改造，提供 `try` 、 `confirm` 、 `cancel` 3个接口

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（3）补偿型

在通用型基础上进行简化，只需再提供补偿接口，业务改造量小。

补偿型 `TCC` 技术方案： 从业务服务只需要提供 `Do` 和 `Compensate` 两个接口。

`try` 阶段有的话，也可能只做一些数据的校验。

Do
    Compensate

`Tips` ： `Saga` 事务也是类似。

![format_png 3][]

### 二、 `Hmily-TCC` 实战 ###

以前不使用 `hmily` ，大部分是因为他很多配置还是 `xml` 形式，比较麻烦。

所以之前都是推荐使用 `byte-tcc` 。

接入 `Hmily-TCC` ：

1.  `pom` 依赖导入：不同服务调用方式，导入不同的配置

<dependency>
        <groupId>org.dromara</groupId>
        <artifactId>hmily-spring-boot-starter-dubbo</artifactId>
        <version>${hmily.version}</version>
        <exclusions>
            <exclusion>
                <groupId>mysql</groupId>
                <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
            </exclusion>
        </exclusions>
    </dependency>
    
    
    <dependency>
        <groupId>org.dromara</groupId>
        <artifactId>hmily-spring-boot-starter-springcloud</artifactId>
        <version>${hmily.version}</version>
    </dependency>
    复制代码

1.  **开发：使用 `hmliy` 注解**

// 1. try 阶段
    @Transactional(rollbackFor = Exception.class)
    @HmilyTCC(confirmMethod = "confirm", cancelMethod = "cancel")
    public void doBusiness() {
        String txNo;
       
        // 1. 幂等处理：若已处理过，则直接返回
        
        // 2. 悬挂处理：若已处理过，则直接返回
        
        // 3. 业务、RPC调用等
    }
    
    // 2. confirm 阶段
    @Transactional(rollbackFor = Exception.class)
    public void confirm(){
        String txNo;
        // 幂等处理
        // do something
    }
    
    // 3. cancel 阶段
    @Transactional(rollbackFor = Exception.class)
    public void cancel(){
        String txNo;
        // 幂等处理
        // do something
    }
    复制代码

1.  服务间的调用

// 以 SpringCloud 中 Feign 为栗
    // 需要加上注解：@Hmily
    @FeignClient(value = "account-service")
    public interface AccountClient {
        @Hmily
        @RequestMapping("/account-service/account/payment")
        Boolean payment(@RequestBody AccountDTO accountDO);
    }
    复制代码

#### 实战：模拟下订单减库存 ####

以官方 `demo` 为栗。

1.  拉取代码，编译

$ git clone git@github.com:dromara/hmily.git
    $ cd hmily/
    $ mvn -DskipTests clean install -U
    复制代码

1.  构建项目，这里以 `springcloud` 为例，使用 `hmily-demo-tcc-springcloud` 工程

![format_png 4][]

1.  执行 `MySQL` 脚本

# 脚本在
    $ cd ./hmily-demo/sql
    hmily-demo.sql
    复制代码

1.  修改项目配置
    
     *  订单服务：修改 `application.yml` 和 `hmily.yml` 中 `MySQL` 连接配置
     *  账号服务：修改 `application.yml` 和 `hmily.yml` 中 `MySQL` 连接配置
     *  库存服务：修改 `application.yml` 和 `hmily.yml` 中 `MySQL` 连接配置
     *  注册中心：使用的是 `eureka` ，不用修改
2.  启动服务，先启动 `eureka` ，再相继启动其他服务

![format_png 5][]

1.  验证：访问 `swagger` 中 `/order/orderPay` 接口
    
    浏览器访问： `http://127.0.0.1:8090/swagger-ui.html`

![format_png 6][]

### 三、 `Hmily-TCC` 源码浅析 ###

#### （1）框架初始化阶段 ####

`hmily-spring-boot-starter` 下有 `META-INF/spring.factories` 文件：

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
    org.dromara.hmily.spring.boot.starter.parent.configuration.HmilyAutoConfiguration
    复制代码

`hmily` 框架会随着应用程序的启动而启动，并初始化类 `HmilyAutoConfiguration` ：

@Configuration
    @EnableAspectJAutoProxy(proxyTargetClass = true)
    public class HmilyAutoConfiguration {
        // 1. 处理添加 @HmilyTCC 注解的切面入口
        @Bean
        public SpringHmilyTransactionAspect hmilyTransactionAspect() {
            return new SpringHmilyTransactionAspect();
        }
        // 2. 支持使用注解调用的 RPC 框架
        @Bean
        @ConditionalOnProperty(value = "hmily.support.rpc.annotation", havingValue = "true")
        public BeanPostProcessor refererAnnotationBeanPostProcessor() {
            return new RefererAnnotationBeanPostProcessor();
        }
        // 3. 框架启动初始化类
        @Bean
        @Qualifier("hmilyTransactionBootstrap")
        @Primary
        public HmilyApplicationContextAware hmilyTransactionBootstrap() {
            return new HmilyApplicationContextAware();
        }
    }
    复制代码

#### （2） `TCC` 的 `Try` 阶段 ####

![format_png 7][]

入口 `@HmilyTCC` ：为 `Hmily` 框架处理 `TCC` 事务的切面：

// AbstractHmilyTransctionAspect是SpringHmilyTransactionAspect的父类。
    @Aspect
    public abstract class AbstractHmilyTransactionAspect {
        private final HmilyTransactionInterceptor interceptor = new HmilyGlobalInterceptor();
    
        @Pointcut("@annotation(org.dromara.hmily.annotation.HmilyTCC) ||                                   @annotation(org.dromara.hmily.annotation.HmilyTAC) ||                  @annotation(org.dromara.hmily.annotation.HmilyXA)")
        public void hmilyInterceptor() {
        }
        // 切面环绕执行
        @Around("hmilyInterceptor()")
        public Object interceptTccMethod(final ProceedingJoinPoint proceedingJoinPoint) throws Throwable {
            return interceptor.invoke(proceedingJoinPoint);
        }
    }
    复制代码

拦截器拦截，进入 `HmilyTransactionInterceptor` ，主要干 2 件事情：

1.  `select(context)` ：根据 `Hmily` 事务上下文，获取事务处理器
    
    首次执行，事务上下文为 `null` ，事务处理器是 `StarterHmilyTccTransactionHandler`
2.  `handleTransaction()` ：执行 `Hmily` 事务

public class HmilyGlobalInterceptor implements HmilyTransactionInterceptor {
    
        // ... ...
        static {
            // 根据引入不同的 RPC 支持包，获取不同的 RPC 参数加载器
            // ===== 重点 =====
            // 因为使用的是 SpringCloud，所以获取的是 SpringCloudParameterLoader
            parameterLoader;
        }
    
        @Override
        public Object invoke(final ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable {
            HmilyTransactionContext context = parameterLoader.load();
            return invokeWithinTransaction(context, pjp);
        }
    
        private Object invokeWithinTransaction(final HmilyTransactionContext context,
                                 final ProceedingJoinPoint point) throws Throwable {
            MethodSignature signature = (MethodSignature) point.getSignature();
            // ===== 重点 =====
            // 获取事务处理器，进行事务处理
            // 首次执行，事务上下文为 null，事务处理器是 StarterHmilyTccTransactionHandler
            return getRegistry(signature.getMethod()).select(context)
                .handleTransaction(point, context);
        }
        // ... ...
    }
    复制代码

具体事务处理器执行：首先会做预处理 `preTry` ，即分布式事务开始的一些准备

public class StarterHmilyTccTransactionHandler 
        implements HmilyTransactionHandler, AutoCloseable {
        @Override
        public Object handleTransaction(final ProceedingJoinPoint point, 
                           final HmilyTransactionContext context) throws Throwable {
            Object returnValue;
            try {
                // 0. 这块主要做：创建主事务、存储、构建分支事务，创建事务上下文等。
                HmilyTransaction hmilyTransaction = executor.preTry(point);
                try {
                    // 执行切面进入点的原始 try 方法，也就是上文提到的 makePayment 方法
                    returnValue = point.proceed();
                    // try 执行成功事务日志状态
                    hmilyTransaction.setStatus(HmilyActionEnum.TRYING.getCode());
                    executor.updateStartStatus(hmilyTransaction);
                } catch (Throwable throwable) {
                    // 如果出现异常， 异步执行 cancel 方法
                    disruptor.getProvider().onData(() -> {
                        executor.globalCancel(currentTransaction);
                    });
                    throw throwable;
                }
    
                // try 方法执行成功，执行 confirm方法
                disruptor.getProvider().onData(() -> {
                    executor.globalConfirm(currentTransaction);
                });
            } finally {
                // 清理资源与缓存
                // 记录调用耗时时间
            }
            return returnValue;
        }
    }
    复制代码

需要注意的是： `confirm` 和 `cancel` 是异步执行时，会有数据异常问题

场景：本先更新操作再插入操作，异步后可能变为先插入再更新了。

为了保证事务数据的一致性： **会根据事务 `Id` 一致性哈希算法。**

*  **同一个事务 `Id` 会被同一线程顺序执行。**

使用 `HmilyContext` 设置事务上下文有两种模式：

1.  默认 `ThreadLocal`
2.  `TransimttableThreadLocal` ：阿里提供的跨线程 `ThreadLocal` 的实现

`RPC` 调用： `Feign`

分布式事务的 `RPC` 进行调用： 通过 **拦截器** `在 header` 里设置事务上下文

@Configuration
    public class HmilyFeignConfiguration {
        // 1. 对 RPC 调用进行参数的传递
        @Bean
        @Qualifier("hmilyFeignInterceptor")
        public RequestInterceptor hmilyFeignInterceptor() {
            return new HmilyFeignInterceptor();
        }
        // 2. 对添加了 Hmily 注解的 Bean 实例进行代理
        @Bean
        public HmilyFeignBeanPostProcessor feignPostProcessor() {
            return new HmilyFeignBeanPostProcessor();
        }
        // 3. 处理 Hystrix 跨线程传递参数问题
        @Bean
        @ConditionalOnProperty(name = "feign.hystrix.enabled")
        public HystrixConcurrencyStrategy hmilyHystrixConcurrencyStrategy() {
            return new HmilyHystrixConcurrencyStrategy();
        }
    }
    复制代码

1.  对 `RPC` 调用进行参数的传递

public class HmilyFeignInterceptor implements RequestInterceptor {
    
        @Override
        public void apply(final RequestTemplate requestTemplate) {
            // 在 header 中设置事务上下文
            RpcMediator.getInstance().transmit(requestTemplate::header,
                                               HmilyContextHolder.get());
        }
    }
    复制代码

1.  对添加了 `Hmily` 注解的 `Bean` 实例进行代理

public class HmilyFeignHandler implements InvocationHandler {
    
        @Override
        public Object invoke(final Object proxy, final Method method, 
                             final Object[] args) throws Throwable {
            if (Object.class.equals(method.getDeclaringClass())) {
                return method.invoke(this, args);
            } else {
                // 获取事务上下文
                final HmilyTransactionContext context = HmilyContextHolder.get();
                if (Objects.isNull(context)) {
                    // 如果为空，则进行正常调用
                    return this.delegate.invoke(proxy, method, args);
                }
                final Hmily hmily = method.getAnnotation(Hmily.class);
                if (Objects.isNull(hmily)) {
                    // 如果为空，则进行正常调用
                    return this.delegate.invoke(proxy, method, args);
                }
                try {
                    // 构建参与者对象，进行缓存
                    // ... 
                    // 发起真正的调用
                    final Object invoke = delegate.invoke(proxy, method, args);
                    // 如果调用成功，缓存参与者对象至发起者
                    if (context.getRole() == HmilyRoleEnum.PARTICIPANT.getCode()) {
                        // ...
                    } else {
                        // ...
                    }
                    return invoke;
                } catch (Throwable e) {
                    LOGGER.error("HmilyFeignHandler invoker exception :", e);
                    throw e;
                }
            }
        }
    }
    复制代码

#### （3） `TCC` 的 `Confirm` 阶段 ####

在所有 `Try` 流程执行完成，且没有异常的情况下：

*  使用 `disrupto` 队列异步执行 `executor.globalConfirm(currentTransaction);`

public final class HmilyTccTransactionExecutor {
        public void globalConfirm(final HmilyTransaction currentTransaction) 
            throws HmilyRuntimeException {
          
            // 更新事务状态为 confirm
            currentTransaction.setStatus(HmilyActionEnum.CONFIRMING.getCode());
            HmilyRepositoryStorage.updateHmilyTransactionStatus(currentTransaction);
            // 从本地缓存里面获取所有的参与者对象
    
            for (HmilyParticipant hmilyParticipant : hmilyParticipants) {
                try {
                    // 如果参与者的角色是发起者
                    if (hmilyParticipant.getRole() == HmilyRoleEnum.START.getCode()) {
                        // 执行本地调用
                    } else {
                        // 执行 RPC 调用
                    }
                    successList.add(true);
                } catch (Throwable e) {
                    //...
                } finally {
                    HmilyContextHolder.remove();
                }
            }
            if (successList.stream().allMatch(e -> e)) {
                // 如果每个参与者都执行成功，删除主事务
                HmilyRepositoryStorage.removeHmilyTransaction(currentTransaction);
            }
        }
    }
    复制代码

#### （4） `TCC` 的 `Cancel` 阶段 ####

`Cancel` 流程是在分布式事务发起方在 `Try` 阶段有异常时调用：

`executor.globalCancel(currentTransaction);`

public final class HmilyTccTransactionExecutor {
        public void globalCancel(final HmilyTransaction currentTransaction) {
            // 更新事务日志状态为 cancel
            currentTransaction.setStatus(HmilyActionEnum.CANCELING.getCode());
            HmilyRepositoryStorage.updateHmilyTransactionStatus(currentTransaction);
          
            for (HmilyParticipant hmilyParticipant : hmilyParticipants) {
                try {
                    // 如果是发起者，执行本地调用
                    if (hmilyParticipant.getRole() == HmilyRoleEnum.START.getCode()) {
                    } else {
                        // 执行远端 RPC 调用
                    }
                } catch (Throwable e) {
                    // ... ...
                } finally {
                    HmilyContextHolder.remove();
                }
            }
        }
    }
    复制代码

#### （5）事务恢复 ####

事务恢复日志只针对非常特殊、极少的场景，在正常的流程中都会被清理掉。

出现场景：

*  在执行 `try` 阶段方法时，服务宕机
 *  执行 `confirm` 阶段方法时，有 `RPC` 服务调用不成功
 *  执行 `cancel` 阶段方法时，有 `RPC` 服务调用不成功

解决方法：定时调度

在初始化 `Hmily` 框架启动阶段，创建并启动此定时任务。

DEATH

public class HmilyTransactionSelfRecoveryScheduled implements AutoCloseable {
        private void selfTccRecovery() {
            selfTccRecoveryExecutor.scheduleWithFixedDelay(() -> {
                try {
                    // ...
                    for (HmilyParticipant hmilyParticipant : hmilyParticipantList) {
                        // 1. 判断是否超过最大重试次数
                        if (hmilyParticipant.getRetry() > hmilyConfig.getRetryMax()) {
                            // 更新日志状态为 DEATH
                            continue;
                        }
                        // 2. 如果事务处于 PRE_TRY 状态，即 try 还没执行，则无需处理
                        
                        // 3. 锁事务日志：避免多个定时任务同时执行
                        // 若采用数据库来存储，则通过更新 version 字段来获取锁
                        final boolean successful 
                            = hmilyRepository.lockHmilyParticipant(hmilyParticipant);
                        if (successful) {
                            // 根据全局事务id 获取全局事务对象
                            HmilyTransaction globalHmilyTransaction;
                            // 如果没有全局事务，证明事务流程已经完成
                            // 则根据自身的事务状态进行恢复
                            // 这种场景常见于 RPC 接口调用超时，但是自身执行又成功
                            if (Objects.isNull(globalHmilyTransaction)) {
                                tccRecovery(hmilyParticipant.getStatus(), hmilyParticipant);
                            } else {
                                // 根据全局事务状态进行恢复
                                tccRecovery(globalHmilyTransaction.getStatus(),
                                            hmilyParticipant);
                            }
                        }
                    }
                } catch (Exception e) {
                    LOGGER.error("hmily scheduled transaction log is error:", e);
                }
            }, hmilyConfig.getScheduledInitDelay(), hmilyConfig.getScheduledRecoveryDelay(), TimeUnit.SECONDS);
        }
        
        private void tccRecovery(final int status, final HmilyParticipant hmilyParticipant) {
            // 如果事务状态是 TRYING 和 CANCELING，执行 cancel 阶段
            if (status == HmilyActionEnum.TRYING.getCode() 
                || status == HmilyActionEnum.CANCELING.getCode()) {
                hmilyTransactionRecoveryService.cancel(hmilyParticipant);
            } else if (status == HmilyActionEnum.CONFIRMING.getCode()) {
                // 反之，执行 confirm 阶段
                hmilyTransactionRecoveryService.confirm(hmilyParticipant);
            }
        }
    }
    复制代码

#### （6）事务日志存储 ####

对于分布式事务来说，事务日志至关重要。

![format_png 8][]

在事务日志的存储上， `Hmily` 支持多种介质 ： `File` 、 `Redis` 、 `MySQL` 、 `Zookeeper` 等。

这里介绍以 `MySQL` 为主，其 `sql` 脚本位于： `resource/mysql/schema.sql` 。

`TCC` 事务日志的结构主要由 3 个类构成：

*  `HmilyTransaction` ：事务主体类，包含多个 `HmilyParticipant` ， 对应 `hmily_transaction_global` 表
 *  `HmilyParticipant` ：分支事务类，包含多个 `HmilyInvocation` ，对应 `hmily_transaction_participant` 表
 *  `HmilyInvocation` ：事务方法的参数列表实体类

`HmilyBootstrap` 框架初始化时，会创建初始化事务恢复调度器：

*  `TCC` 事务恢复单线程池： `selfTccRecoveryExecutor`
 *  `TAC` 事务恢复单线程池： `selfTacRecoveryExecutor`
 *  事务日志清理线程池： `cleanHmilyTransactionExecutor`
 *  物理删除线程池： `phyDeletedExecutor`

`Hmily` 采用高性能队列 `disruptor` 进行事务日志的异步存储：

HmilyRepositoryEventPublisher
    TCC

![ec0543f353db432bbc8a53f0f0d58773.jpeg][]

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