分布式事务如何实现？深入解读 Seata 的 XA 模式
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分布式事务如何实现？深入解读 Seata 的 XA 模式
作者简介：煊檍，GitHub ID：sharajava，阿里巴巴中件间 GTS 研发团队负责人，SEATA 开源项目发起人，曾在 Oracle 北京研发中心多年，从事 WebLogic 核心研发工作。长期专注于中间件，尤其是分布式事务领域的技术实践。
Seata 1.2.0 版本重磅发布新的事务模式：XA 模式，实现对 XA 协议的支持。
这里，我们从三个方面来深入解读这个新的特性：
- 是什么（What）：XA 模式是什么？
- 为什么（Why）：为什么支持 XA？
- 怎么做（How）：XA 模式是如何实现的，以及怎样使用？
1. XA 模式是什么？
这里有两个基本的前置概念：
- 什么是 XA？
- 什么是 Seata 定义的所谓 事务模式？
基于这两点，再来理解 XA 模式就很自然了。
1.1 什么是 XA？
XA 规范 是 X/Open 组织定义的分布式事务处理（DTP，Distributed Transaction Processing）标准。
XA 规范 描述了全局的事务管理器与局部的资源管理器之间的接口。 XA规范 的目的是允许的多个资源（如数据库，应用服务器，消息队列等）在同一事务中访问，这样可以使 ACID 属性跨越应用程序而保持有效。
XA 规范 使用两阶段提交（2PC，Two-Phase Commit）来保证所有资源同时提交或回滚任何特定的事务。
XA 规范 在上世纪 90 年代初就被提出。目前，几乎所有主流的数据库都对 XA 规范 提供了支持。
1.2 什么是 Seata 的事务模式？
Seata 定义了全局事务的框架。
全局事务 定义为若干 分支事务 的整体协调：
- TM 向 TC 请求发起（Begin）、提交（Commit）、回滚（Rollback）全局事务。
- TM 把代表全局事务的 XID 绑定到分支事务上。
- RM 向 TC 注册，把分支事务关联到 XID 代表的全局事务中。
- RM 把分支事务的执行结果上报给 TC。（可选）
- TC 发送分支提交（Branch Commit）或分支回滚（Branch Rollback）命令给 RM。
Seata 的 全局事务 处理过程，分为两个阶段：
- 执行阶段 ：执行 分支事务，并 保证 执行结果满足是 可回滚的（Rollbackable） 和 持久化的（Durable）。
- 完成阶段： 根据 执行阶段 结果形成的决议，应用通过 TM 发出的全局提交或回滚的请求给 TC，TC 命令 RM 驱动 分支事务 进行 Commit 或 Rollback。
Seata 的所谓 事务模式 是指：运行在 Seata 全局事务框架下的 分支事务 的行为模式。准确地讲，应该叫作 分支事务模式。
不同的 事务模式 区别在于 分支事务 使用不同的方式达到全局事务两个阶段的目标。即，回答以下两个问题：
- 执行阶段 ：如何执行并 保证 执行结果满足是 可回滚的（Rollbackable） 和 持久化的（Durable）。
- 完成阶段： 收到 TC 的命令后，如何做到分支的提交或回滚？
以我们 Seata 的 AT 模式和 TCC 模式为例来理解：
AT 模式
-
执行阶段：
-
- 可回滚：根据 SQL 解析结果，记录回滚日志
- 持久化：回滚日志和业务 SQL 在同一个本地事务中提交到数据库
-
完成阶段：
-
- 分支提交：异步删除回滚日志记录
- 分支回滚：依据回滚日志进行反向补偿更新
TCC 模式
-
执行阶段：
-
- 调用业务定义的 Try 方法（完全由业务层面保证 可回滚 和 持久化）
-
完成阶段：
-
- 分支提交：调用各事务分支定义的 Confirm 方法
- 分支回滚：调用各事务分支定义的 Cancel 方法
1.3 什么是 Seata 的 XA 模式？
XA 模式：
在 Seata 定义的分布式事务框架内，利用事务资源（数据库、消息服务等）对 XA 协议的支持，以 XA 协议的机制来管理分支事务的一种 事务模式。
-
执行阶段：
-
- 可回滚：业务 SQL 操作放在 XA 分支中进行，由资源对 XA 协议的支持来保证 可回滚
- 持久化：XA 分支完成后，执行 XA prepare，同样，由资源对 XA 协议的支持来保证 持久化（即，之后任何意外都不会造成无法回滚的情况）
-
完成阶段：
-
- 分支提交：执行 XA 分支的 commit
- 分支回滚：执行 XA 分支的 rollback
2. 为什么支持 XA？
为什么要在 Seata 中增加 XA 模式呢？支持 XA 的意义在哪里呢？
2.1 补偿型事务模式的问题
本质上，Seata 已经支持的 3 大事务模式：AT、TCC、Saga 都是 补偿型 的。
补偿型 事务处理机制构建在 事务资源 之上（要么在中间件层面，要么在应用层面），事务资源 本身对分布式事务是无感知的。
事务资源 对分布式事务的无感知存在一个根本性的问题：无法做到真正的 全局一致性 。
比如，一条库存记录，处在 补偿型 事务处理过程中，由 100 扣减为 50。此时，仓库管理员连接数据库，查询统计库存，就看到当前的 50。之后，事务因为异外回滚，库存会被补偿回滚为 100。显然，仓库管理员查询统计到的 50 就是 脏 数据。
可以看到，补偿型 分布式事务机制因为不要求 事务资源 本身（如数据库）的机制参与，所以无法保证从事务框架之外的全局视角的数据一致性。
2.2 XA 的价值
与 补偿型 不同，XA 协议 要求 事务资源 本身提供对规范和协议的支持。
因为 事务资源 感知并参与分布式事务处理过程，所以 事务资源（如数据库）可以保障从任意视角对数据的访问有效隔离，满足全局数据一致性。
比如，上一节提到的库存更新场景，XA 事务处理过程中，中间态数据库存 50 由数据库本身保证，是不会仓库管理员的查询统计 看 到的。（当然隔离级别需要 读已提交 以上）
除了 全局一致性 这个根本性的价值外，支持 XA 还有如下几个方面的好处：
- 业务无侵入：和 AT 一样，XA 模式将是业务无侵入的，不给应用设计和开发带来额外负担。
- 数据库的支持广泛：XA 协议被主流关系型数据库广泛支持，不需要额外的适配即可使用。
- 多语言支持容易：因为不涉及 SQL 解析，XA 模式对 Seata 的 RM 的要求比较少，为不同语言开发 SDK 较之 AT 模式将更 薄，更容易。
- 传统基于 XA 应用的迁移：传统的，基于 XA 协议的应用，迁移到 Seata 平台，使用 XA 模式将更平滑。
2.3 XA 广泛被质疑的问题
不存在某一种分布式事务机制可以完美适应所有场景，满足所有需求。
XA 规范早在上世纪 90 年代初就被提出，用以解决分布式事务处理这个领域的问题。
现在，无论 AT 模式、TCC 模式还是 Saga 模式，这些模式的提出，本质上都源自 XA 规范对某些场景需求的无法满足。
XA 规范定义的分布式事务处理机制存在一些被广泛质疑的问题，针对这些问题，我们是如何思考的呢？
- 数据锁定：数据在整个事务处理过程结束前，都被锁定，读写都按隔离级别的定义约束起来。
思考：
数据锁定是获得更高隔离性和全局一致性所要付出的代价。
补偿型 的事务处理机制，在 执行阶段 即完成分支（本地）事务的提交，（资源层面）不锁定数据。而这是以牺牲 隔离性 为代价的。
另外，AT 模式使用 全局锁 保障基本的 写隔离，实际上也是锁定数据的，只不过锁在 TC 侧集中管理，解锁效率高且没有阻塞的问题。
- 协议阻塞：XA prepare 后，分支事务进入阻塞阶段，收到 XA commit 或 XA rollback 前必须阻塞等待。
思考：
协议的阻塞机制本身并不是问题，关键问题在于 协议阻塞 遇上 数据锁定。
如果一个参与全局事务的资源 “失联” 了（收不到分支事务结束的命令），那么它锁定的数据，将一直被锁定。进而，甚至可能因此产生死锁。
这是 XA 协议的核心痛点，也是 Seata 引入 XA 模式要重点解决的问题。
基本思路是两个方面：避免 “失联” 和 增加 “自解锁” 机制。（这里涉及非常多技术细节，暂时不展开，在后续 XA 模式演进过程中，会专门拿出来讨论）
- 性能差：性能的损耗主要来自两个方面：一方面，事务协调过程，增加单个事务的 RT；另一方面，并发事务数据的锁冲突，降低吞吐。
思考：
和不使用分布式事务支持的运行场景比较，性能肯定是下降的，这点毫无疑问。
本质上，事务（无论是本地事务还是分布式事务）机制就是拿部分 性能的牺牲 ，换来 编程模型的简单 。
与同为 业务无侵入 的 AT 模式比较：
首先，因为同样运行在 Seata 定义的分布式事务框架下，XA 模式并没有产生更多事务协调的通信开销。
其次，并发事务间，如果数据存在热点，产生锁冲突，这种情况，在 AT 模式（默认使用全局锁）下同样存在的。
所以，在影响性能的两个主要方面，XA 模式并不比 AT 模式有非常明显的劣势。
AT 模式性能优势主要在于：集中管理全局数据锁，锁的释放不需要 RM 参与，释放锁非常快；另外，全局提交的事务，完成阶段 异步化。
3. XA 模式如何实现以及怎样用？
3.1 XA 模式的设计
3.1.1 设计目标
XA 模式的基本设计目标，两个主要方面：
- 从 场景 上，满足 全局一致性 的需求。
- 从 应用上，保持与 AT 模式一致的无侵入。
- 从 机制 上，适应分布式微服务架构的特点。
整体思路：
- 与 AT 模式相同的：以应用程序中 本地事务 的粒度，构建到 XA 模式的 分支事务。
- 通过数据源代理，在应用程序本地事务范围外，在框架层面包装 XA 协议的交互机制，把 XA 编程模型 透明化。
- 把 XA 的 2PC 拆开，在分支事务 执行阶段 的末尾就进行 XA prepare，把 XA 协议完美融合到 Seata 的事务框架，减少一轮 RPC 交互。
3.1.2 核心设计
1. 整体运行机制
XA 模式 运行在 Seata 定义的事务框架内：
-
执行阶段（E xecute）：
-
- XA start/XA end/XA prepare + SQL + 注册分支
-
完成阶段（F inish）：
-
- XA commit/XA rollback
2. 数据源代理
XA 模式需要 XAConnection。
获取 XAConnection 两种方式：
- 方式一：要求开发者配置 XADataSource
- 方式二：根据开发者的普通 DataSource 来创建
第一种方式，给开发者增加了认知负担，需要为 XA 模式专门去学习和使用 XA 数据源，与 透明化 XA 编程模型的设计目标相违背。
第二种方式，对开发者比较友好，和 AT 模式使用一样，开发者完全不必关心 XA 层面的任何问题，保持本地编程模型即可。
我们优先设计实现第二种方式：数据源代理根据普通数据源中获取的普通 JDBC 连接创建出相应的 XAConnection。
类比 AT 模式的数据源代理机制，如下：
但是，第二种方法有局限：无法保证兼容的正确性。
实际上，这种方法是在做数据库驱动程序要做的事情。不同的厂商、不同版本的数据库驱动实现机制是厂商私有的，我们只能保证在充分测试过的驱动程序上是正确的，开发者使用的驱动程序版本差异很可能造成机制的失效。
这点在 Oracle 上体现非常明显。参见 Druid issue：https://github.com/alibaba/druid/issues/3707
综合考虑，XA 模式的数据源代理设计需要同时支持第一种方式：基于 XA 数据源进行代理。
类比 AT 模式的数据源代理机制，如下：
3. 分支注册
XA start 需要 Xid 参数。
这个 Xid 需要和 Seata 全局事务的 XID 和 BranchId 关联起来，以便由 TC 驱动 XA 分支的提交或回滚。
目前 Seata 的 BranchId 是在分支注册过程，由 TC 统一生成的，所以 XA 模式分支注册的时机需要在 XA start 之前。
将来一个可能的优化方向：
把分支注册尽量延后。类似 AT 模式在本地事务提交之前才注册分支，避免分支执行失败情况下，没有意义的分支注册。
这个优化方向需要 BranchId 生成机制的变化来配合。BranchId 不通过分支注册过程生成，而是生成后再带着 BranchId 去注册分支。
4. 小结
这里只通过几个重要的核心设计，说明 XA 模式的基本工作机制。
此外，还有包括 连接保持、异常处理 等重要方面，有兴趣可以从项目代码中进一步了解。
以后会陆续写出来和大家交流。
3.1.3 演进规划
XA 模式总体的演进规划如下：
- 第 1 步（已经完成）：首个版本（1.2.0），把 XA 模式原型机制跑通。确保只增加，不修改，不给其他模式引入的新问题。
- 第 2 步（计划 5 月完成）：与 AT 模式必要的融合、重构。
- 第 3 步（计划 7 月完成）：完善异常处理机制，进行上生产所必需的打磨。
- 第 4 步（计划 8 月完成）：性能优化。
- 第 5 步（计划 2020 年内完成）：结合 Seata 项目正在进行的面向云原生的 Transaction Mesh 设计，打造云原生能力。
3.2 XA 模式的使用
从编程模型上，XA 模式与 AT 模式保持完全一致。
可以参考 Seata 官网的样例：seata-xa
样例场景是 Seata 经典的，涉及库存、订单、账户 3 个微服务的商品订购业务。
在样例中，上层编程模型与 AT 模式完全相同。只需要修改数据源代理，即可实现 XA 模式与 AT 模式之间的切换。
@Bean("dataSource")
public DataSource dataSource(DruidDataSource druidDataSource) {
// DataSourceProxy for AT mode
// return new DataSourceProxy(druidDataSource);
// DataSourceProxyXA for XA mode
return new DataSourceProxyXA(druidDataSource);
}
4. 总结
在当前的技术发展阶段，不存一个分布式事务处理机制可以完美满足所有场景的需求。
一致性、可靠性、易用性、性能等诸多方面的系统设计约束，需要用不同的事务处理机制去满足。
Seata 项目最核心的价值在于：构建一个全面解决分布式事务问题的 标准化 平台。
基于 Seata，上层应用架构可以根据实际场景的需求，灵活选择合适的分布式事务解决方案。
XA 模式的加入，补齐了 Seata 在 全局一致性 场景下的缺口，形成 AT、TCC、Saga、XA 四大 事务模式 的版图，基本可以满足所有场景的分布式事务处理诉求。
当然 XA 模式和 Seata 项目本身都还不尽完美，有很多需要改进和完善的地方。非常欢迎大家参与到项目的建设中，共同打造一个标准化的分布式事务平台。
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Seata 是一款阿里巴巴开源的分布式事务解决方案，致力于在微服务架构下提供高性能和简单易用的分布式事务服务。
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