分布式事务三 解决方案之2PC(两阶段提交)

分布式事务三 解决方案之2PC(两阶段提交)

• 前言：

  书接上文《分布式事务二 基础理论》，前面已经学习了分布式事务的基础理论，以理论为基础，针对不同的分布式场景业界常见的解决方案有2PC、 TCC、可靠消息最终一致性、最大努力通知这几种。

  现在主要介绍一下2pc(两阶段提交方案)

一、什么是2PC

1. 2PC理论

1.1 2pc概念

2PC即两阶段提交协议，是将整个事务流程分为两个阶段，准备阶段（Prepare phase）、提交阶段（commit phase），2是指两个阶段，P是指准备阶段，C是指提交阶段。

1.2. 2pc举例

张三和李四好久不见，老友约起聚餐，饭店老板要求先买单，才能出票。这时张三和李四分别抱怨近况不如意，囊中羞涩，都不愿意请客，这时只能AA。只有张三和李四都付款，老板才能出票安排就餐。但由于张三和李四 都是铁公鸡，形成了尴尬的一幕：

• 准备阶段：老板要求张三付款，张三付款。老板要求李四付款，李四付款。
• 提交阶段：老板出票，两人拿票纷纷落座就餐。

例子中形成了一个事务，若张三或李四其中一人拒绝付款，或钱不够，店老板都不会给出票，并且会把已收款退回。

整个事务过程由事务管理器和参与者组成，店老板就是事务管理器，张三、李四就是事务参与者，事务管理器负责 决策整个分布式事务的提交和回滚，事务参与者负责自己本地事务的提交和回滚。

1.3. 部分关系数据库如Oracle、MySQL支持两阶段提交协议

• 准备阶段（Prepare phase）：事务管理器给每个参与者发送Prepare消息，每个数据库参与者在本地执行事 务，并写本地的Undo/Redo日志，此时事务没有提交。

  （Undo日志是记录修改前的数据，用于数据库回滚，Redo日志是记录修改后的数据，用于提交事务后写入数 据文件）

• 提交阶段（commit phase）：如果事务管理器收到了参与者的执行失败或者超时消息时，直接给每个参与者 发送回滚(Rollback)消息；否则，发送提交(Commit)消息；参与者根据事务管理器的指令执行提交或者回滚操 作，并释放事务处理过程中使用的锁资源。

  注意:必须在最后阶段释放锁资源。

1.4. 关系数据库两阶段提交图解

• 成功情况
  

• 失败情况
  

二、解决方案

1. XA

1.1 XA方案

2PC的传统方案是在数据库层面实现的，如Oracle、MySQL都支持2PC协议，为了统一标准减少行业内不必要的对 接成本，需要制定标准化的处理模型及接口标准，国际开放标准组织Open Group定义了分布式事务处理模型 DTP（Distributed Transaction Processing Reference Model）。

• 为了让大家更明确XA方案的内容程，下面新用户注册送积分为例来说明：
  

• 执行流程如下：

  1. 应用程序（AP）持有用户库和积分库两个数据源
  2. 应用程序（AP）通过TM通知用户库RM新增用户，同时通知积分库RM为该用户新增积分，RM此时并未提交事 务，此时用户和积分资源锁定。
  3. TM收到执行回复，只要有一方失败则分别向其他RM发起回滚事务，回滚完毕，资源锁释放。
  4. TM收到执行回复，全部成功，此时向所有RM发起提交事务，提交完毕，资源锁释放。

1.2 DTP模型定义如下角色：

• AP (Application Program)：即应用程序，可以理解为使用DTP分布式事务的程序。

• RM (Resource Manager)：即资源管理器，可以理解为事务的参与者，一般情况下是指一个数据库实例，通过 资源管理器对该数据库进行控制，资源管理器控制着分支事务。

• TM (Transaction Manager)：事务管理器，负责协调和管理事务，事务管理器控制着全局事务，管理事务生命 周期，并协调各个RM。全局事务是指分布式事务处理环境中，需要操作多个数据库共同完成一个工作，这个 工作即是一个全局事务。

• DTP模型定义TM和RM之间通讯的接口规范叫XA，简单理解为数据库提供的2PC接口协议，基于数据库的XA 协议来实现2PC又称为XA方案。

• 以上三个角色之间的交互方式如下：

  1. TM向AP提供 应用程序编程接口，AP通过TM提交及回滚事务。
  2. TM交易中间件通过XA接口来通知RM数据库事务的开始、结束以及提交、回滚等。

1.3 2PC角色总结

整个2PC的事务流程涉及到三个角色AP、RM、TM。AP指的是使用2PC分布式事务的应用程序；RM指的是资 源管理器，它控制着分支事务；TM指的是事务管理器，它控制着整个全局事务

1.4 2PC流程总结

1. 在准备阶段RM执行实际的业务操作，但不提交事务，资源锁定；

2. 在提交阶段TM会接受RM在准备阶段的执行回复，只要有任一个RM执行失败，TM会通知所有RM执行回滚操 作，否则，TM将会通知所有RM提交该事务。提交阶段结束资源锁释放。

1.5 XA方案的问题

• 需要本地数据库支持XA协议。

• 资源锁需要等到两个阶段结束才释放，性能较差。

2. Seata方案

2.1 认识Seata

Seata是由阿里中间件团队发起的开源项目 Fescar，后更名为Seata，它是一个是开源的分布式事务框架。

传统2PC的问题在Seata中得到了解决，它通过对本地关系数据库的分支事务的协调来驱动完成全局事务，是工作 在应用层的中间件。主要优点是性能较好，且不长时间占用连接资源，它以高效并且对业务0侵入的方式解决微服 务场景下面临的分布式事务问题，它目前提供AT模式(即2PC)及TCC模式的分布式事务解决方案。

2.2 Seata的设计思想

Seata的设计目标其一是对业务无侵入，因此从业务无侵入的2PC方案着手，在传统2PC的基础上演进，并解决 2PC方案面临的问题。

Seata把一个分布式事务理解成一个包含了若干分支事务的全局事务。全局事务的职责是协调其下管辖的分支事务 达成一致，要么一起成功提交，要么一起失败回滚。此外，通常分支事务本身就是一个关系数据库的本地事务。

• 是全局事务与分支事务的关系图
  

• 传统2PC 的模型类似，Seata定义了3个组件来协议分布式事务的处理过程
  

  1. Transaction Coordinator (TC)： 事务协调器，它是独立的中间件，需要独立部署运行，它维护全局事务的运 行状态，接收TM指令发起全局事务的提交与回滚，负责与RM通信协调各各分支事务的提交或回滚。
  2. Transaction Manager ™： 事务管理器，TM需要嵌入应用程序中工作，它负责开启一个全局事务，并最终 向TC发起全局提交或全局回滚的指令。
  3. 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TC的指令，驱动分 支（本地）事务的提交和回滚。

2.3 举例Seata的分布式事务过程

拿新用户注册送积分举例Seata的分布式事务过程

具体的执行流程如下：

1. 用户服务的 TM 向 TC 申请开启一个全局事务，全局事务创建成功并生成一个全局唯一的XID。
2. 用户服务的 RM 向 TC 注册 分支事务，该分支事务在用户服务执行新增用户逻辑，并将其纳入 XID 对应全局 事务的管辖。
3. 用户服务执行分支事务，向用户表插入一条记录。
4. 逻辑执行到远程调用积分服务时(XID 在微服务调用链路的上下文中传播)。积分服务的RM 向 TC 注册分支事 务，该分支事务执行增加积分的逻辑，并将其纳入 XID 对应全局事务的管辖。
5. 积分服务执行分支事务，向积分记录表插入一条记录，执行完毕后，返回用户服务。
6. 用户服务分支事务执行完毕。
7. TM 向 TC 发起针对 XID 的全局提交或回滚决议。 8. TC 调度 XID 下管辖的全部分支事务完成提交或回滚请求。

2.4 Seata实现2PC与传统2PC的差别

• 架构层次方面，传统2PC方案的 RM 实际上是在数据库层，RM 本质上就是数据库自身，通过 XA 协议实现，而 Seata的 RM 是以jar包的形式作为中间件层部署在应用程序这一侧的。

• 两阶段提交方面，传统2PC无论第二阶段的决议是commit还是rollback，事务性资源的锁都要保持到Phase2完成 才释放。而Seata的做法是在Phase1 就将本地事务提交，这样就可以省去Phase2持锁的时间，整体提高效率。

3. seata实现2PC事务

3.1. 业务说明

本示例通过Seata中间件实现分布式事务，模拟三个账户的转账交易过程。

• 两个账户在三个不同的银行(张三在bank1、李四在bank2)，bank1和bank2是两个个微服务。交易过程是，张三 给李四转账指定金额

上述交易步骤，要么一起成功，要么一起失败，必须是一个整体性的事务。

3.2 程序源码

基于seata实现2pc的例子，代码已经上传到github上，有兴趣的小伙伴可以运行测试一下。有问题可提issue与我交流。

• 源码地址：https://github.com/han-xuefeng/seata-2pc-demo

3.3 程序组成部分

数据库：MySQL-5.7.25 包括bank1和bank2两个数据库。

JDK：64位 jdk1.8.0_201 微服务框架：spring-boot-2.1.3、spring-cloud-Greenwich.RELEASE

seata客户端（RM、TM）：spring-cloud-alibaba-seata-2.1.0.RELEASE

seata服务端(TC)：seata-server-0.7.1

微服务及数据库的关系 ：

• dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank1 银行1，操作张三账户， 连接数据库bank1

• dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank2 银行2，操作李四账户，连接数据库bank2 服务注册中心：dtx/discover-server

• 本示例程序技术架构如下：
  

4. seata实现原理–执行流程

一定要懂执行的流程

• 正常提交流程
  

• 回滚流程 回滚流程省略前的RM注册过程。
  

• 要点说明：

1. 每个RM使用DataSourceProxy连接数据库，其目的是使用ConnectionProxy，使用数据源和数据连接代理的目的就是在第一阶段将undo_log和业务数据放在一个本地事务提交，这样就保存了只要有业务操作就一定有
   undo_log。

2. 在第一阶段undo_log中存放了数据修改前和修改后的值，为事务回滚作好准备，所以第一阶段完成就已经将分支事务提交，也就释放了锁资源。

3. TM开启全局事务开始，将XID全局事务id放在事务上下文中，通过feign调用也将XID传入下游分支事务，每个分支事务将自己的BranchID分支事务ID与XID关联。

4. 第二阶段全局事务提交，TC会通知各各分支参与者提交分支事务，在第一阶段就已经提交了分支事务，这里各各参与者只需要删除undo_log即可，并且可以异步执行，第二阶段很快可以完成。

5. 第二阶段全局事务回滚，TC会通知各各分支参与者回滚分支事务，通过XID和BranchID找到相应的回滚日
   志，通过回滚日志生成反向的SQL并执行，以完成分支事务回滚到之前的状态，如果回滚失败则会重试回滚操
   作。

总结

本节讲解了传统2PC（基于数据库XA协议）和Seata实现2PC的两种2PC方案，由于Seata的0侵入性并且解决了传统2PC长期锁资源的问题，所以推荐采用Seata实现2PC。

Seata实现2PC要点：

• 注册全局事务。
• 开启每个本地事务
• 每个数据都需要创建undo_log表，此表是seata保证本地事务一致性的关键。