分布式架构系列 - 分布式事务 01（基础篇）

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这是江帅帅的第027篇文章

1、什么是事务？

一般的事务，指的是本地事务，单机上的事务。事务提供了一种机制，能够将一组操作放在一个不可分割的、独立的执行单元中，其中所有的操作要么被完全执行，要么完全失败。也就是，当其中一个操作执行失败的时候，都会让整个事务回滚。

2、什么是全局事务？

全局事务是全局事务管理来实现全局管理。

假设有一个事务管理器，多个资源管理器在工作，事务管理器主要控制全局事务，管理事务和协调参与的资源，协同资源的一致提交和回滚等；资源管理器就控制和管理资源。

这里涉及到两个协议：TX 协议和 XA 协议。

TX 协议：应用或应用服务器与事务管理器的接口。

XA 协议：全局事务管理器和资源事务管理器的接口。XA 协议是 X/Open 组织提出的分布式事务的规范，当下主流的关系型数据库产品都实现了 XA 接口，它是双向的系统接口，为事务管理器和 N 个资源管理器提供通信桥梁。

在分布式系统中，需要引入一个单点来对两台机器进行协调，因为它们无法达到一致的状态，也就是 XA 需要引入事务管理器。这时，全局管理器负责管理和协调的事务，就能跨越多个资源和进程。

3、什么是事务的 ACID 特性？

事务的 ACID 特性，特指本地事务的特性。分布式事务是多个事务的组合，也基本能满足 ACID，其中一致性是强一致性，为了保证数据一致性或完整性。由于分布式系统规模不小，也会越来越复杂，当需要达成强一致性将要耗费的时间会更长。后来出现了 BASE 理论，采用最终一致性来代替强一致性。

另外，隔离性是一种严格意义上的隔离，串行执行的多个事务互不干扰，能够保证数据的安全性，但性能很低，隔离级别和数据库的性能是成反比的。数据库的隔离级别有四种：Read uncommitted（读未提交）、Read committed（读提交）、Repeatable read（重复度）、Serializable（序列化）。

原子性（Atomicity）：事务是一个不能分割的执行单元，只有两种状态，要么全部执行成功，要么全部不执行。如果事务中的出现任何一个操作失败，整个事务就失败，将会被回滚到之前的状态。

一致性（Consistency）：事务在操作前到操作后，数据的完整性保持一致没有被破环。

隔离性（Isolation）：如果系统内存在多个事务，且并发执行，但他们的执行是相互独立且不会相互干扰，某个事务内部的操作和数据，其他事务不可干涉。

持久性（Durability）：当一个事务完成后，处理好的结果也将在数据库永久保存下来，哪怕系统出现崩溃、宕机，在系统恢复且能重新被访问，一样能看到事务提交的结果。

4、什么是分布式事务？

简单理解，分布式事务是在分布式系统中的本地事务，指在多节点、多机器、多服务的环境中涉及的事务操作。

核心点，分布式事务主要是解决在分布式系统环境下，组合事务的一致性问题。

目前，主要结合消息中间件共同处理相关操作，MQ 能实现异步通信、解耦和并发缓冲等问题。因为 MQ 拥有高并发、高吞吐能力，又能缓冲消息、灵活调整消息的处理效率，这就可以提升系统的并发量。

5、如何实现分布式事务？

常见实现方式有遵从 ACID 的强一致性方式和遵从 BASE 理论的最终一致性方式，分别如下：

1）两阶段提交协议

2）三阶段提交协议

3）基于消息的最终一致性

5.1 两阶段提交

基于 XA 协议的两阶段提交协议（Two-phase Commit Protocol, 2PC）方法，主要是 XA 能分离两部分来看，全局事务管理器和资源事务管理器。它具有能协调多个资源的机制，在 TM（事务管理器） 和 RM（资源管理器） 之间采取两阶段提交的方案来解决一致性问题。

TM 充当协调者，它会根据所有参与的 RM 的操作结果，来判断和控制是否需要最终提交。这过程会先经过投票，然后提交两个阶段。

过程很简单，TM 向 RM 发起准备操作的请求，然后等 RM 的响应。当 RM 接收到请求之后，会去执行请求中的事务操作，注意，这里单个 RM 没那么快提交，只会先记录日志信息，然后发送 Yes/No 给 TM，表示成功/终止操作指令。当所有 RM 都发送 Yes 的时候，才进入最终提交阶段，等提交完成后，整个事务就结束了。

从上图可以看到，协调者下发请求事务操作，参与者将操作的结果返回协调者，根据所有参与者的最终反馈结果来判断是要提交呢？还是回滚呢？

5.2 两阶段提交事务解决方案的利弊

1）满足了事务的 ACID 的特性；

2）在执行过程中，2PC是反伸缩模式的，所有参与的节点都是事务阻塞型的，当业务规模越来越大的时候，局限性会更明显。参与者会一直持有资源直到整个分布式事务结束；

3）容易出现单点故障问题，2PC 类似于集中式算法，万一 TM 发生故障，RM 会去等 TM 的消息，然后会导致整个系统都处于停滞状态。

4）还有可能出现数据不一致的问题，万一网络抖动，网络局部异常现象，就只有部分 RM 接收到提交请求并执行操作，其他未接到提交请求的 RM 就不会执行事务提交操作，很明显的数据不一致问题。

5.3 三阶段提交

为了解决上面两阶段提交会遇到的同步阻塞、数据不一致问题，出现了三阶段提交协议（Three-phase commit protocol, 3PC），是一套改进方案，因为三阶段拥有超时机制和多了一个准备阶段。

超时机制很好理解，在 TM 和 RM 之间引入超时机制，如果在规定时间内没有收到来自其他节点的响应信息，那么就会根据当下的状态来执行提交或者回滚操作。

另外多出来的一个准备阶段，其实是 3PC 把 2PC 一分为二，简单看就是：可以提交、预备提交、执行提交三个阶段。用这种方式来保证在最后提交之前，各个 RM 节点的状态都是一致的。

主要来看下“预备提交”阶段。

分两种情况，RM 返回的是 Yes，还是 No，然后再决定是否进行预备提交的操作。

如果返回 Yes，那也就是说能够去提交，接着正常的往下走，提交就是了。大致流程是先发送预备提交请求，进入预备提交阶段；然后执行事务操作，在日志中记录相关信息；最后事务执行成功了，得到 ACK 响应反馈，开始进入等待最后的操作指令。

如果返回 No，说明没戏，直接执行中断事务的操作。大致流程是先发送中断请求；然后中断事务操作。

5.4 基于消息的最终一致性

因为 2PC 和 3PC 都会去锁定资源，就会降低系统性能，而且也没解决数据不一致的问题。

那应该怎么办？回到我们在上面介绍的“什么是分布式事务？”，简单提过，实际上需要结合消息中间件来共同处理相关操作，通过消息、日志等方式异步执行，因为它们可以存储在本地文件、数据库或者 MQ 中，加上重试机制，就是基于分布式消息的最终一致性方式来实现分布式事务解决方案。

在分布式事务中，只有当所有的事务都成功了，整个业务流程才能跑通，分布式事务的一致性是实现分布式事务的关键点。

公众号：江帅帅（ID：NXJSS666）

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