分布式事务的几种实现方式

我会带着你远行 2023-10-06 17:13 33阅读 0赞

### 两阶段提交（2PC） ###

两阶段提交协议是协调所有分布式原子事务参与者，并决定提交或取消（回滚）的分布式算法。

**（1）协议参与者**

在两阶段提交协议中，系统一般包含两类机器（或节点）：一类为协调者（coordinator），通常一个系统中只有一个；另一类为事务参与者（participants，cohorts或workers），一般包含多个，在数据存储系统中可以理解为数据副本的个数。协议中假设每个节点都会记录写前日志（write-ahead log）并持久性存储，即使节点发生故障日志也不会丢失。协议中同时假设节点不会发生永久性故障而且任意两个节点都可以互相通信。

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**（2）两个阶段的执行**

1.请求阶段（commit-request phase，或称表决阶段，voting phase）

在请求阶段，协调者将通知事务参与者准备提交或取消事务，然后进入表决过程。

在表决过程中，参与者将告知协调者自己的决策：同意（事务参与者本地作业执行成功）或取消（本地作业执行故障）。

2.提交阶段（commit phase）

在该阶段，协调者将基于第一个阶段的投票结果进行决策：提交或取消。

当且仅当所有的参与者同意提交事务协调者才通知所有的参与者提交事务，否则协调者将通知所有的参与者取消事务。

参与者在接收到协调者发来的消息后将执行响应的操作。

**（3）两阶段提交的缺点**

1.同步阻塞问题。执行过程中，所有参与节点都是事务阻塞型的。

当参与者占有公共资源时，其他第三方节点访问公共资源不得不处于阻塞状态。

2.单点故障。由于协调者的重要性，一旦协调者发生故障。

参与者会一直阻塞下去。尤其在第二阶段，协调者发生故障，那么所有的参与者还都处于锁定事务资源的状态中，而无法继续完成事务操作。（如果是协调者挂掉，可以重新选举一个协调者，但是无法解决因为协调者宕机导致的参与者处于阻塞状态的问题）

3.数据不一致。在二阶段提交的阶段二中，当协调者向参与者发送commit请求之后，发生了局部网络异常或者在发送commit请求过程中协调者发生了故障，这回导致只有一部分参与者接受到了commit请求。

而在这部分参与者接到commit请求之后就会执行commit操作。但是其他部分未接到commit请求的机器则无法执行事务提交。于是整个分布式系统便出现了数据不一致性的现象。

**（4）两阶段提交无法解决的问题**

当协调者出错，同时参与者也出错时，两阶段无法保证事务执行的完整性。

考虑协调者再发出commit消息之后宕机，而唯一接收到这条消息的参与者同时也宕机了。

那么即使协调者通过选举协议产生了新的协调者，这条事务的状态也是不确定的，没人知道事务是否被已经提交。

### 三阶段提交（3PC） ###

三阶段提交协议可以理解为两阶段提交协议的改良版，是在协调者和参与者中都引入超时机制，并且把两阶段提交协议的第一个阶段分成了两步: 询问，然后再锁资源，最后真正提交。

两阶段提交协议最早是分布式事务的专家Jim Gray在1978年的一篇文章Notes on Database Operating Systems中提及。两阶段提交协议可以保证数据的强一致性，即保证了分布式事务的原子性：所有结点要么全做要么全不做。许多分布式关系型数据管理系统采用此协议来完成分布式事务。它是协调所有分布式原子事务参与者，并决定提交或取消（回滚）的分布式算法。同时也是解决一致性问题的算法。该算法能够解决很多的临时性系统故障（包括进程、网络节点、通信等故障），被广泛地使用。但是，它并不能够通过配置来解决所有的故障，在某些情况下它还需要人为的参与才能解决问题。两阶段提交协议存在的问题是,协调者在某些时刻如果失败了, 整个事务就会阻塞。于是Skeen发布了"NonBlocking Commit Protocols" （1981）这篇论文，论文指出在一个分布式的事务里面, 需要一个三阶段的提交协议来避免在两阶段提交中存在的阻塞问题。

顾名思义，三阶段提交分为以下三个阶段：

*  CanCommit
 *  PreCommit
 *  DoCommit

在三阶段提交协议中，系统一般包含两类角色：

*  协调者（Coordinator），通常一个系统中只有一个；
 *  参与者（Participant），一般包含多个，在数据存储系统中可以理解为数据副本的个数。

#### CanCommit ####

在CanCommit阶段，协调者协议流程如下：

*  写本地日志“BEGIN\_COMMIT”，并进入WAIT状态；
 *  向所有参与者发送“VOTE\_REQUEST”消息；
 *  等待并接收参与者发送的对“VOTE\_REQUEST”的响应。参与者响应“VOTE\_ABORT”或“VOTE\_COMMIT”消息给协调者。

该流程与两阶段提交协议类似。

#### PreCommit ####

在PreCommit阶段，，协调者将通知事务参与者准备提交或取消事务，写本地的redo和undo日志，但不提交。

协调者协议流程如下：

*  若收到任何一个参与者发送的“VOTE\_ABORT”消息；

*   *  写本地“GLOBAL\_ABORT”日志，进入ABORT状态；
     *  向所有的参与者发送“GLOBAL\_ABORT”消息；

*  若收到所有参与者发送的“VOTE\_COMMIT”消息；

*   *  写本地“PREPARE\_COMMIT”日志，进入PRECOMMIT状态；
     *  向所有的参与者发送“PREPARE \_COMMIT”消息；

*  等待并接收参与者发送的对“GLOBAL\_ABORT”消息或“PREPARE\_COMMIT”消息的确认响应消息。一旦收到所有参与者的“GLOBAL\_ABORT”确认消息或者超时没有收到，写本地“END\_TRANSACTION”日志流程结束，则不再进入DoCommit阶段。如果收到所有参与者的“PREPARE\_COMMIT”确认消息，则进入DoCommit阶段。

该流程与两阶段提交协议相比，多了一个PRECOMMIT状态。

#### DoCommit ####

在该阶段，

协调者协议流程如下：

*  向所有参与者发送的“GLOBAL \_COMMIT”消息；
 *  等待并接收参与者发送的对 “GLOBAL\_COMMIT”消息的确认响应消息，一旦收到所有参与者的确认消息，写本地“END\_TRANSACTION”日志流程结束。

在DoCommit阶段，如果参与者无法及时接收到来自协调者的GLOBAL\_COMMIT请求时，会在等待超时之后，会继续进行事务的提交。

### 2PC与3PC的区别 ###

**相对于2PC，3PC主要解决的单点故障问题，并减少阻塞，因为一旦参与者无法及时收到来自协调者的信息之后，他会默认执行commit。而不会一直持有事务资源并处于阻塞状态。**但是这种机制也会导致数据一致性问题，因为，由于网络原因，协调者发送的abort响应没有及时被参与者接收到，那么参与者在等待超时之后执行了commit操作。这样就和其他接到abort命令并执行回滚的参与者之间存在数据不一致的情况

了解了2PC和3PC之后，我们可以发现，无论是二阶段提交还是三阶段提交都无法彻底解决分布式的一致性问题。Google Chubby的作者Mike Burrows说过， there is only one consensus protocol, and that’s Paxos” – all other approaches are just broken versions of Paxos. 意即**世上只有一种一致性算法，那就是Paxos，所有其他一致性算法都是Paxos算法的不完整版**。

### TCC ###

Try-Confirm-Cancel（TCC）是初步操作（Try）、确认操作（Confirm）和取消操作（Cancel）三种操作的缩写，这三种操作的业务含义如下：

*  Try 阶段：对业务系统做检测及资源预留；
 *  Confirm 阶段：对业务系统做确认提交。默认 Confirm 阶段是不会出错的，只要 Try 成功，Confirm 一定成功；
 *  Cancel 阶段：当业务执行出现错误，需要回滚的状态下，执行业务取消，释放预留资源。

TCC 是二阶段提交协议（Two-phase Commit Protocol，简称 2PC）的扩展，Try 操作对应 2PC 中一阶段的准备提交事务（Prepare），Confirm 对应 2PC 中二阶段事务提交（Commit），Cancel 对应 2PC 中二阶段事务回滚（Rollback）。

与 2PC 不同的是，TCC 是一种编程模型，是应用层的 2PC；TCC 的 3 个操作均由编码实现，通过编码实现了 2PC 资源管理器的功能。

TCC 自编码的特性决定 TCC 资源管理器可以跨数据库、跨应用实现资源管理，将对不同的数据库访问、不同的业务操作通过编码方式转换一个原子操作，解决了复杂业务场景下的事务问题。同时 TCC 的每一个操作对于数据库来讲都是一个本地数据库事务，操作结束则本地数据库事务结束，数据库的资源也就被释放；这就规避了数据库层面的 2PC 对资源占用导致的性能低下问题。

TCC 其实就是采用的补偿机制，其核心思想是：针对每个操作，都要注册一个与其对应的确认和补偿（撤销）操作。它分为三个阶段：

Try 阶段主要是对业务系统做检测及资源预留

Confirm 阶段主要是对业务系统做确认提交，Try阶段执行成功并开始执行 Confirm阶段时，默认 Confirm阶段是不会出错的。即：只要Try成功，Confirm一定成功。

Cancel 阶段主要是在业务执行错误，需要回滚的状态下执行的业务取消，预留资源释放。

举个例子，假入 Bob 要向 Smith 转账，思路大概是：

我们有一个本地方法，里面依次调用

1、首先在 Try 阶段，要先调用远程接口把 Smith 和 Bob 的钱给冻结起来。

2、在 Confirm 阶段，执行远程调用的转账的操作，转账成功进行解冻。

3、如果第2步执行成功，那么转账成功，如果第二步执行失败，则调用远程冻结接口对应的解冻方法 (Cancel)。

**优点**： 跟2PC比起来，实现以及流程相对简单了一些，但数据的一致性比2PC也要差一些

**缺点**： 缺点还是比较明显的，在2,3步中都有可能失败。TCC属于应用层的一种补偿方式，所以需要程序员在实现的时候多写很多补偿的代码，在一些场景中，一些业务流程可能用TCC不太好定义及处理。

### saga ###

Saga模式是SEATA提供的长事务解决方案，在Saga模式中，业务流程中每个参与者都提交本地事务，当出现某一个参与者失败则补偿前面已经成功的参与者，一阶段正向服务和二阶段补偿服务都由业务开发实现。

### 柔性事务一致性 ###

事务的中间过程可以不一致，但是最终结果会一致，效率高，但是不适用于中间复杂事务操作。

#### 柔性事务的定义 ####

刚性事务（如单数据库）完全遵循 ACID 规范，即数据库事务正确执行的四个基本要素：

*  原子性（Atomicity）
 *  一致性（Consistency）
 *  隔离性（Isolation）
 *  持久性（Durability）

柔性事务（如分布式事务）为了满足可用性、性能与降级服务的需要，降低一致性（Consistency）与隔离性（Isolation）的要求，遵循 BASE 理论：

*  基本业务可用性（Basic Availability）
 *  柔性状态（Soft state）
 *  最终一致性（Eventual consistency）

同样的，柔性事务也部分遵循 ACID 规范：

*  原子性：严格遵循
 *  一致性：事务完成后的一致性严格遵循；事务中的一致性可适当放宽
 *  隔离性：并行事务间不可影响；事务中间结果可见性允许安全放宽
 *  持久性：严格遵循

#### 柔性事务的分类 ####

柔性事务分为：两阶段型、补偿型、异步确保型、最大努力通知型。

*  **两阶段型**  
    分布式事务二阶段提交，对应技术上的 XA、JTA/JTS，这是分布式环境下事务处理的典型模式。
 *  **补偿型**  
    TCC 型事务（Try-Confirm-Cancel）可以归为补偿型。在 Try 成功的情况下，如果事务要回滚，Cancel 将作为一个补偿机制，回滚 Try 操作；TCC 各操作事务本地化，且尽早提交（没有两阶段约束）；当全局事务要求回滚时，通过另一个本地事务实现“补偿”行为。  
    TCC 是将资源层的二阶段提交协议转换到业务层，成为业务模型中的一部分。
 *  **异步确保型**  
    将一些有同步冲突的事务操作变为异步操作，避免对数据库事务的争用，如消息事务机制。
 *  **最大努力通知型**  
    通过通知服务器（消息通知）进行，允许失败，有补充机制。

### 最终事务一致性 ###

最终事务一致性强调的是所有的数据副本，在经过一点时间的同步之后，最终都能够达到一个一致的状态。因此，最终事务一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致，而不需要实时保证系统数据的强一致性。

TCC模式：

所谓 TCC 模式，是指支持把 **自定义** 的分支事务纳入到全局事务的管理中。

AT 模式（[参考链接 TBD][TBD]）基于 **支持本地 ACID 事务** 的 **关系型数据库**：

*  一阶段 prepare 行为：在本地事务中，一并提交业务数据更新和相应回滚日志记录。
 *  二阶段 commit 行为：马上成功结束，**自动** 异步批量清理回滚日志。
 *  二阶段 rollback 行为：通过回滚日志，**自动** 生成补偿操作，完成数据回滚。

相应的，TCC 模式，不依赖于底层数据资源的事务支持：

*  一阶段 prepare 行为：调用 **自定义** 的 prepare 逻辑。
 *  二阶段 commit 行为：调用 **自定义** 的 commit 逻辑。
 *  二阶段 rollback 行为：调用 **自定义** 的 rollback 逻辑。

Saga 模式

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理论基础：Hector & Kenneth 发表论⽂ Sagas （1987）

**适用场景：**

*  业务流程长、业务流程多
 *  参与者包含其它公司或遗留系统服务，无法提供 TCC 模式要求的三个接口

**优势：**

*  一阶段提交本地事务，无锁，高性能
 *  事件驱动架构，参与者可异步执行，高吞吐
 *  补偿服务易于实现

**缺点：**

*  不保证隔离性（应对方案见[用户文档][Link 1]）

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[TBD]: http://seata.io/zh-cn/docs/dev/mode/tcc-mode.html
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[Link 1]: http://seata.io/zh-cn/docs/user/saga.html