Seata 源码篇之核心思想 - 01
Seata 源码篇之核心思想 - 01
- 引言
- 基础架构
- 数据源代理
- 分支事务提交和回滚
- 隔离级别
-
- 解决脏写
- 读未提交
- 读已提交
- 小结
笔者个人项目中使用到了seata来做分布式事务管理，面试过程中也经常被问到seata的原理，seata源码本身也不是很复杂，所以准备出一个Seata源码大白话解读系列。
本系列文章编撰过程主要参考Seata官网提供的相关源码解读文章，附加笔者个人理解，如有不正确，欢迎各位大佬在评论区指出。
参考资料:
- Seata官网提供的系列源码解析文章
对Seata框架不了解的可以先阅读一下下面这篇文章:
- Seata框架使用和基本原理
引言
分布式事务目前的解决方案主要分为侵入式和无侵入式的方案：
- 无侵入式方案主要是基于XA的二阶段提交协议，缺点就是资源锁定周期长，还存在单点故障等问题。
- 侵入式方案的典型有TCC，SAGA 和 基于消息队列事务消息实现的最终一致性
Seata同时支持无侵入式和侵入式两种实现方式，本系列前半部分主要聚焦于无侵入式的实现；
基础架构
Seata的设计思路就是将一个分布式事务理解成一个全局事务，下面挂了若干个分支事务，而每个分支事务又是一个满足ACID的本地事务，即每个分支事务的执行过程是原子性的，而全局事务需要确保所有分支事务执行过程的原子性；
与之相对的就是每个本地事务包含若干SQL语句，每个SQL语句执行过程是原子性的，本地事务需要确保其所包含的所有sql语句执行过程的原子性。
具体如下面所示:
Seata 内部定义了3个模块来处理全局事务和分支事务的关系和处理过程 :
- Transaction Coordinator ( TC ) : 事务协调器，维护全局事务的运行状态，负责协调并驱动全局事务的提交或者回滚。
- Transaction Manager ( TM ) : 控制全局事务的边界，负责开启一个全局事务，并最终发起全局提交或全局回滚的决定。
- Resource Manager ( RM )：控制分支事务，负责分支注册、状态汇报，并接收事务协调器的指令，驱动分支（本地）事务的提交和回滚。
整个全局事务的执行分为以下几步：
- TM 向 TC 申请开启一个全局事务，TC 创建全局事务后返回全局唯一的 XID，XID 会在全局事务的上下文中传播；
- RM 向 TC 注册分支事务，该分支事务归属于拥有相同 XID 的全局事务；
- TM 向 TC 发起全局提交或回滚；
- TC 调度 XID 下的分支事务完成提交或者回滚。
数据源代理
传统的XA协议依赖的是数据库层面来保障事务的一致性，也就是说XA的各个分支事务是在数据库层面上驱动的，这会导致数据库与XA驱动耦合，同样也会导致各个分支事务资源锁定周期长，因此性能很低，一般不采用。
Seata 默认的AT模式则是基于业务层面实现的补偿机制，通过对RM进行改造，在应用层中添加一层对数据源的代理，如下图所示:
Seata 在数据源做了一层代理层，所以我们使用 Seata 时，我们使用的数据源实际上用的是 Seata 自带的数据源代理 DataSourceProxy，Seata 在这层代理中加入了很多逻辑，主要是解析 SQL，把业务数据在更新前后的数据镜像组织成回滚日志，并将 undo log 日志插入 undo_log 表中，保证每条更新数据的业务 sql 都有对应的回滚日志存在。
这样做的好处就是，本地事务执行完可以立即释放本地事务锁定的资源，然后向 TC 上报分支状态。当 TM 决议全局提交时，就不需要同步协调处理了，TC 会异步调度各个 RM 分支事务删除对应的 undo log 日志即可，这个步骤非常快速地可以完成；当 TM 决议全局回滚时，RM 收到 TC 发送的回滚请求，RM 通过 XID 找到对应的 undo log 回滚日志，然后执行回滚日志完成回滚操作。
传统的XA协议与Seata提供的AT模式实现区别如下图所示:
- XA 方案的 RM 是放在数据库层的，它依赖了数据库的 XA 驱动程序
- Seata 的 RM 实际上是已中间件的形式放在应用层，不用依赖数据库对协议的支持，完全剥离了分布式事务方案对数据库在协议支持上的要求
分支事务提交和回滚
分支事务提交和回滚分为三个阶段，如下所示:
- 第一阶段: 分支注册
分支事务利用 RM 模块 中对 JDBC 数据源的代理，加入了若干流程，对业务 SQL 进行解释，把业务数据在更新前后的数据镜像组织成回滚日志，并生成 undo log 日志，对全局事务锁的检查以及分支事务的注册等，利用本地事务 ACID 特性，将业务 SQL 和 undo log 写入同一个事物中一同提交到数据库中，保证业务 SQL 必定存在相应的回滚日志，最后对分支事务状态向 TC 进行上报。
- 第二阶段: TM决议全局提交
当 TM 决议提交时，就不需要同步协调处理了，TC 会异步调度各个 RM 分支事务删除对应的 undo log 日志即可，这个步骤非常快速地可以完成。这个机制对于性能提升非常关键，我们知道正常的业务运行过程中，事务执行的成功率是非常高的，因此可以直接在本地事务中提交，这步对于提升性能非常显著。
- 第三阶段: TM决议全局回滚
当 TM 决议回滚时，RM 收到 TC 发送的回滚请求，RM 通过 XID 找到对应的 undo log 回滚日志，然后利用本地事务 ACID 特性，执行回滚日志完成回滚操作并删除 undo log 日志，最后向 TC 进行回滚结果上报。
业务对以上所有的流程都无感知，业务完全不关心全局事务的具体提交和回滚，而且最重要的一点是 Seata 将两段式提交的同步协调分解到各个分支事务中了，分支事务与普通的本地事务无任何差异，这意味着我们使用 Seata 后，分布式事务就像使用本地事务一样，完全将数据库层的事务协调机制交给了中间件层 Seata 去做了，这样虽然事务协调搬到应用层了，但是依然可以做到对业务的零侵入，从而剥离了分布式事务方案对数据库在协议支持上的要求，且 Seata 在分支事务完成之后直接释放资源，极大减少了分支事务对资源的锁定时间，完美避免了 XA 协议需要同步协调导致资源锁定时间过长的问题。
隔离级别
Seata为我们提供一个全局事务，谈到事务就离不开事务隔离级别这个问题，Seata AT模式的事务隔离级别是建立在分支事务的本地隔离级别基础上的。在数据库本地隔离级别读已提交或以上的前提下，Seata 设计了由事务协调器维护的全局排它锁，来保证事务间的写隔离，同时，将全局事务默认定义在读未提交的隔离级别上。
在讲 Seata 事务隔离级之前，我们先来回顾一下数据库事务的隔离级别，目前数据库事务的隔离级别一共有 4 种，由低到高分别为：
- Read uncommitted：读未提交
- Read committed：读已提交
- Repeatable read：可重复读
- Serializable：序列化
数据库一般默认的隔离级别为读已提交，比如 Oracle，也有一些数据的默认隔离级别为可重复读，比如 Mysql，一般而言，数据库的读已提交能够满足业务绝大部分场景了。
我们知道 Seata 的事务是一个全局事务，它包含了若干个分支本地事务，在全局事务执行过程中（全局事务还没执行完），某个本地事务提交了，如果 Seata 没有采取任务措施，则会导致已提交的本地事务被读取，造成脏读；如果数据在全局事务提交前已提交的本地事务被修改，则会造成脏写。
由此可以看出，传统意义的脏读是读到了未提交的数据，Seata 脏读是读到了全局事务下未提交的数据，全局事务可能包含多个本地事务，某个本地事务提交了不代表全局事务提交了。
绝大部分应用在读已提交的隔离级别下工作是没有问题的，而实际上，这当中又有绝大多数的应用场景，实际上工作在读未提交的隔离级别下同样没有问题。
在极端场景下，应用如果需要达到全局的读已提交，Seata 也提供了全局锁机制实现全局事务读已提交。但是默认情况下，Seata 的全局事务是工作在读未提交隔离级别的，保证绝大多数场景的高效性。
Seata AT模式下写操作都必须加锁，但是读操作默认不加锁，因此可以读到还未提交的全局事务做出的修改，可以自行选择加锁，使其工作在读已提交隔离级别下。
解决脏写
假设按照我们目前已知流程运行，那么看看会遇到什么问题呢？
业务一开启全局事务，其中包含分支事务A（修改 A）和分支事务 B（修改 B），业务二修改 A，其中业务一执行分支事务 A 先获取本地锁，业务二则等待业务一执行完分支事务 A 之后，获得本地锁修改 A 并入库，业务一在执行分支事务时发生异常了，由于分支事务 A 的数据被业务二修改，导致业务一的全局事务无法回滚。
业务一回滚分支事务A的时候，会通过after-image判断当前自己自己更新过的数据，是否又被其他人修改了，如果是说明发生了脏写问题，这里会抛出异常。
Seata采用加互斥锁的方式来解决脏写问题:
1、业务二执行时加 @GlobalTransactional注解：
业务二在执行全局事务过程中，分支事务 A 提交前，注册分支事务获取全局锁时，发现业务一全局锁还没执行完，因此业务二提交不了，抛异常回滚，所以不会发生脏写。
这里其实是发生了死锁现象，但是由于两方都存在锁超时机制，最终会因为全局锁超时较早，抛出超时异常，提前打破死锁局面。
- 业务二执行时加 @GlobalLock注解：
与 @GlobalTransactional注解效果类似，只不过不需要开启全局事务，只在本地事务提交前，检查全局锁是否存在。
- 业务二执行时加 @GlobalLock 注解 + select for update语句：
如果加了select for update语句，则会在 update 前检查全局锁是否存在，只有当全局锁释放之后，业务二才能开始执行 updateA 操作。
如果单单是 transactional，那么就有可能会出现脏写，根本原因是没有 Globallock 注解时，不会检查全局锁，这可能会导致另外一个全局事务回滚时，发现某个分支事务被脏写了。所以加 select for update 也有个好处，就是可以重试。
读未提交
Seata AT模式下，默认为读未提交隔离级别，即不会对select请求做任何拦截处理，如下图所示:
由于业务一最终进行了全局事务回滚，所以业务二读取到的值就变成了脏值，此时就产生了脏读问题。
读已提交
Seata AT 模式默认为读未提交隔离级别，该隔离级别下可能会产生脏读问题，这里是指在全局事务未提交前，被其它业务读到已提交的分支事务的数据，本质上是Seata默认的全局事务是读未提交。
可以把这里分支事务提交理解为执行完事务中一条sql更新语句。
那么怎么避免脏读现象呢？
- 业务二查询 A 时加 @GlobalLock 注解 + select for update语句：
加select for update语句会在执行 SQL 前检查全局锁是否存在，只有当全局锁完成之后，才能继续执行 SQL，这样就防止了脏读。
小结
本文所讲的是Seata的AT模式，也是Seata默认情况下的启用的模式，其类似于XA的两阶段提交方案，同时对业务无侵入，但是这种模式依然需要依赖数据库本地事务的ACID特性。
对于不支持ACID特性的数据库而言，可以考虑Seata提供的TCC方案，其是一种对业务有入侵的方案，通过手工编码指定提交和回滚逻辑，在业务层面实现补偿逻辑，关于TCC部分源码解析将在本系列后半部分给出。