分布式事務(wù)最經(jīng)典的七種解決方案！

鷹兔牛熊眼 2021-07-21

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隨著業(yè)務(wù)的快速發(fā)展、業(yè)務(wù)復(fù)雜度越來越高，幾乎每個公司的系統(tǒng)都會從單體走向分布式，特別是轉(zhuǎn)向微服務(wù)架構(gòu)。隨之而來就必然遇到分布式事務(wù)這個難題，這篇文章總結(jié)了分布式事務(wù)最經(jīng)典的解決方案，分享給大家。

基礎(chǔ)理論

在講解具體方案之前，我們先了解一下分布式事務(wù)所涉及到的基礎(chǔ)理論知識。

我們拿轉(zhuǎn)賬作為例子，A需要轉(zhuǎn)100元給B，那么需要給A的余額-100元，給B的余額+100元，整個轉(zhuǎn)賬要保證，A-100和B+100同時成功，或者同時失敗。看看在各種場景下，是如何解決這個問題的。

事務(wù)

把多條語句作為一個整體進行操作的功能，被稱為數(shù)據(jù)庫事務(wù)。數(shù)據(jù)庫事務(wù)可以確保該事務(wù)范圍內(nèi)的所有操作都可以全部成功或者全部失敗。

事務(wù)具有 4 個屬性：原子性、一致性、隔離性、持久性。這四個屬性通常稱為 ACID 特性。

Atomicity（原子性）：一個事務(wù)中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成，不會結(jié)束在中間某個環(huán)節(jié)。事務(wù)在執(zhí)行過程中發(fā)生錯誤，會被恢復(fù)到事務(wù)開始前的狀態(tài)，就像這個事務(wù)從來沒有執(zhí)行過一樣。
Consistency（一致性）：在事務(wù)開始之前和事務(wù)結(jié)束以后，數(shù)據(jù)庫的完整性沒有被破壞。完整性包括外鍵約束、應(yīng)用定義的等約束不會被破壞。
Isolation（隔離性）：數(shù)據(jù)庫允許多個并發(fā)事務(wù)同時對其數(shù)據(jù)進行讀寫和修改的能力，隔離性可以防止多個事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時由于交叉執(zhí)行而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致。
Durability（持久性）：事務(wù)處理結(jié)束后，對數(shù)據(jù)的修改就是永久的，即便系統(tǒng)故障也不會丟失。

分布式事務(wù)

銀行跨行轉(zhuǎn)賬業(yè)務(wù)是一個典型分布式事務(wù)場景，假設(shè)A需要跨行轉(zhuǎn)賬給B，那么就涉及兩個銀行的數(shù)據(jù)，無法通過一個數(shù)據(jù)庫的本地事務(wù)保證轉(zhuǎn)賬的ACID，只能夠通過分布式事務(wù)來解決。

分布式事務(wù)就是指事務(wù)的發(fā)起者、資源及資源管理器和事務(wù)協(xié)調(diào)者分別位于分布式系統(tǒng)的不同節(jié)點之上。在上述轉(zhuǎn)賬的業(yè)務(wù)中，用戶A-100操作和用戶B+100操作不是位于同一個節(jié)點上。本質(zhì)上來說，分布式事務(wù)就是為了保證在分布式場景下，數(shù)據(jù)操作的正確執(zhí)行。

分布式事務(wù)在分布式環(huán)境下，為了滿足可用性、性能與降級服務(wù)的需要，降低一致性與隔離性的要求，一方面遵循 BASE 理論（BASE相關(guān)理論，涉及內(nèi)容非常多，感興趣的同學(xué)，可以參考BASE理論）：

基本業(yè)務(wù)可用性（Basic Availability）
柔性狀態(tài)（Soft state）
最終一致性（Eventual consistency）
同樣的，分布式事務(wù)也部分遵循 ACID 規(guī)范：

原子性：嚴(yán)格遵循
一致性：事務(wù)完成后的一致性嚴(yán)格遵循；事務(wù)中的一致性可適當(dāng)放寬
隔離性：并行事務(wù)間不可影響；事務(wù)中間結(jié)果可見性允許安全放寬
持久性：嚴(yán)格遵循

分布式事務(wù)的解決方案

兩階段提交/XA

XA是由X/Open組織提出的分布式事務(wù)的規(guī)范，XA規(guī)范主要定義了(全局)事務(wù)管理器(TM)和(局部)資源管理器(RM)之間的接口。本地的數(shù)據(jù)庫如mysql在XA中扮演的是RM角色

XA一共分為兩階段：

第一階段（prepare）：即所有的參與者RM準(zhǔn)備執(zhí)行事務(wù)并鎖住需要的資源。參與者ready時，向TM報告已準(zhǔn)備就緒。
第二階段 (commit/rollback)：當(dāng)事務(wù)管理者(TM)確認(rèn)所有參與者(RM)都ready后，向所有參與者發(fā)送commit命令。
目前主流的數(shù)據(jù)庫基本都支持XA事務(wù)，包括mysql、oracle、sqlserver、postgre

XA 事務(wù)由一個或多個資源管理器（RM）、一個事務(wù)管理器（TM）和一個應(yīng)用程序（ApplicationProgram）組成。

把上面的轉(zhuǎn)賬作為例子，一個成功完成的XA事務(wù)時序圖如下：

如果有任何一個參與者prepare失敗，那么TM會通知所有完成prepare的參與者進行回滾。

XA事務(wù)的特點是：

簡單易理解，開發(fā)較容易
對資源進行了長時間的鎖定，并發(fā)度低

如果讀者想要進一步研究XA，go語言可參考DTM，java語言可參考seata

SAGA

Saga是這一篇數(shù)據(jù)庫論文saga提到的一個方案。其核心思想是將長事務(wù)拆分為多個本地短事務(wù)，由Saga事務(wù)協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)，如果正常結(jié)束那就正常完成，如果某個步驟失敗，則根據(jù)相反順序一次調(diào)用補償操作。

把上面的轉(zhuǎn)賬作為例子，一個成功完成的SAGA事務(wù)時序圖如下：

SAGA事務(wù)的特點：

并發(fā)度高，不用像XA事務(wù)那樣長期鎖定資源
需要定義正常操作以及補償操作，開發(fā)量比XA大
一致性較弱，對于轉(zhuǎn)賬，可能發(fā)生A用戶已扣款，最后轉(zhuǎn)賬又失敗的情況

論文里面的SAGA內(nèi)容較多，包括兩種恢復(fù)策略，包括分支事務(wù)并發(fā)執(zhí)行，我們這里的討論，僅包括最簡單的SAGA

SAGA適用的場景較多，長事務(wù)適用，對中間結(jié)果不敏感的業(yè)務(wù)場景適用

如果讀者想要進一步研究SAGA，go語言可參考DTM，java語言可參考seata

TCC

關(guān)于 TCC（Try-Confirm-Cancel）的概念，最早是由 Pat Helland 于 2007 年發(fā)表的一篇名為《Life beyond Distributed Transactions:an Apostate’s Opinion》的論文提出。

TCC分為3個階段

Try 階段：嘗試執(zhí)行，完成所有業(yè)務(wù)檢查（一致性）, 預(yù)留必須業(yè)務(wù)資源（準(zhǔn)隔離性）
Confirm 階段：確認(rèn)執(zhí)行真正執(zhí)行業(yè)務(wù)，不作任何業(yè)務(wù)檢查，只使用 Try 階段預(yù)留的業(yè)務(wù)資源，Confirm 操作要求具備冪等設(shè)計，Confirm 失敗后需要進行重試。
Cancel 階段：取消執(zhí)行，釋放 Try 階段預(yù)留的業(yè)務(wù)資源。Cancel 階段的異常和 Confirm 階段異常處理方案基本上一致，要求滿足冪等設(shè)計。

把上面的轉(zhuǎn)賬作為例子，通常會在Try里面凍結(jié)金額，但不扣款，Confirm里面扣款，Cancel里面解凍金額，一個成功完成的TCC事務(wù)時序圖如下：

TCC特點如下：

并發(fā)度較高，無長期資源鎖定。
開發(fā)量較大，需要提供Try/Confirm/Cancel接口。
一致性較好，不會發(fā)生SAGA已扣款最后又轉(zhuǎn)賬失敗的情況
TCC適用于訂單類業(yè)務(wù)，對中間狀態(tài)有約束的業(yè)務(wù)

如果讀者想要進一步研究TCC，go語言可參考DTM，java語言可參考seata

本地消息表

本地消息表這個方案最初是 ebay 架構(gòu)師 Dan Pritchett 在 2008 年發(fā)表給 ACM 的文章。設(shè)計核心是將需要分布式處理的任務(wù)通過消息的方式來異步確保執(zhí)行。

大致流程如下：

寫本地消息和業(yè)務(wù)操作放在一個事務(wù)里，保證了業(yè)務(wù)和發(fā)消息的原子性，要么他們?nèi)汲晒?，要么全都失敗?/span>

容錯機制：

扣減余額事務(wù) 失敗時，事務(wù)直接回滾，無后續(xù)步驟
輪序生產(chǎn)消息失敗，增加余額事務(wù)失敗都會進行重試

本地消息表的特點：

長事務(wù)僅需要分拆成多個任務(wù)，使用簡單
生產(chǎn)者需要額外的創(chuàng)建消息表
每個本地消息表都需要進行輪詢
消費者的邏輯如果無法通過重試成功，那么還需要更多的機制，來回滾操作

適用于可異步執(zhí)行的業(yè)務(wù)，且后續(xù)操作無需回滾的業(yè)務(wù)

事務(wù)消息

在上述的本地消息表方案中，生產(chǎn)者需要額外創(chuàng)建消息表，還需要對本地消息表進行輪詢，業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)較重。阿里開源的RocketMQ 4.3之后的版本正式支持事務(wù)消息，該事務(wù)消息本質(zhì)上是把本地消息表放到RocketMQ上，解決生產(chǎn)端的消息發(fā)送與本地事務(wù)執(zhí)行的原子性問題。

事務(wù)消息發(fā)送及提交：

發(fā)送消息（half消息）
服務(wù)端存儲消息，并響應(yīng)消息的寫入結(jié)果
根據(jù)發(fā)送結(jié)果執(zhí)行本地事務(wù)（如果寫入失敗，此時half消息對業(yè)務(wù)不可見，本地邏輯不執(zhí)行）
根據(jù)本地事務(wù)狀態(tài)執(zhí)行Commit或者Rollback（Commit操作發(fā)布消息，消息對消費者可見）

正常發(fā)送的流程圖如下：

補償流程：

對沒有Commit/Rollback的事務(wù)消息（pending狀態(tài)的消息），從服務(wù)端發(fā)起一次“回查”
Producer收到回查消息，返回消息對應(yīng)的本地事務(wù)的狀態(tài)，為Commit或者Rollback
事務(wù)消息方案與本地消息表機制非常類似，區(qū)別主要在于原先相關(guān)的本地表操作替換成了一個反查接口

事務(wù)消息特點如下：

長事務(wù)僅需要分拆成多個任務(wù)，并提供一個反查接口，使用簡單
消費者的邏輯如果無法通過重試成功，那么還需要更多的機制，來回滾操作

適用于可異步執(zhí)行的業(yè)務(wù)，且后續(xù)操作無需回滾的業(yè)務(wù)

如果讀者想要進一步研究事務(wù)消息，可參考rocketmq，為了方便大家學(xué)習(xí)事務(wù)消息，DTM也提供了簡單實現(xiàn)

最大努力通知

發(fā)起通知方通過一定的機制最大努力將業(yè)務(wù)處理結(jié)果通知到接收方。具體包括：

有一定的消息重復(fù)通知機制。因為接收通知方可能沒有接收到通知，此時要有一定的機制對消息重復(fù)通知。
消息校對機制。如果盡最大努力也沒有通知到接收方，或者接收方消費消息后要再次消費，此時可由接收方主動向通知方查詢消息信息來滿足需求。
前面介紹的的本地消息表和事務(wù)消息都屬于可靠消息，與這里介紹的最大努力通知有什么不同？

可靠消息一致性，發(fā)起通知方需要保證將消息發(fā)出去，并且將消息發(fā)到接收通知方，消息的可靠性關(guān)鍵由發(fā)起通知方來保證。

最大努力通知，發(fā)起通知方盡最大的努力將業(yè)務(wù)處理結(jié)果通知為接收通知方，但是可能消息接收不到，此時需要接收通知方主動調(diào)用發(fā)起通知方的接口查詢業(yè)務(wù)處理結(jié)果，通知的可靠性關(guān)鍵在接收通知方。

解決方案上，最大努力通知需要：

提供接口，讓接受通知放能夠通過接口查詢業(yè)務(wù)處理結(jié)果
消息隊列ACK機制，消息隊列按照間隔1min、5min、10min、30min、1h、2h、5h、10h的方式，逐步拉大通知間隔，直到達(dá)到通知要求的時間窗口上限。之后不再通知

最大努力通知適用于業(yè)務(wù)通知類型，例如微信交易的結(jié)果，就是通過最大努力通知方式通知各個商戶，既有回調(diào)通知，也有交易查詢接口

AT事務(wù)模式

這是阿里開源項目seata中的一種事務(wù)模式，在螞蟻金服也被稱為FMT。優(yōu)點是該事務(wù)模式使用方式，類似XA模式，業(yè)務(wù)無需編寫各類補償操作，回滾由框架自動完成，缺點也類似AT，存在較長時間的鎖，不滿足高并發(fā)的場景。有興趣的同學(xué)可以參考seata-AT

異常處理

在分布式事務(wù)的各個環(huán)節(jié)都有可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)以及業(yè)務(wù)故障等問題，這些問題需要分布式事務(wù)的業(yè)務(wù)方做到防空回滾，冪等，防懸掛三個特性。

異常情況

下面以TCC事務(wù)說明這些異常情況：

空回滾：

　　在沒有調(diào)用 TCC 資源 Try 方法的情況下，調(diào)用了二階段的 Cancel 方法，Cancel 方法需要識別出這是一個空回滾，然后直接返回成功。

　　出現(xiàn)原因是當(dāng)一個分支事務(wù)所在服務(wù)宕機或網(wǎng)絡(luò)異常，分支事務(wù)調(diào)用記錄為失敗，這個時候其實是沒有執(zhí)行Try階段，當(dāng)故障恢復(fù)后，分布式事務(wù)進行回滾則會調(diào)用二階段的Cancel方法，從而形成空回滾。

冪等：

　　由于任何一個請求都可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常，出現(xiàn)重復(fù)請求，所以所有的分布式事務(wù)分支，都需要保證冪等性

懸掛：

　　懸掛就是對于一個分布式事務(wù)，其二階段 Cancel 接口比 Try 接口先執(zhí)行。

　　出現(xiàn)原因是在 RPC 調(diào)用分支事務(wù)try時，先注冊分支事務(wù)，再執(zhí)行RPC調(diào)用，如果此時 RPC 調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁堵，RPC 超時以后，TM就會通知RM回滾該分布式事務(wù)，可能回滾完成后，RPC 請求才到達(dá)參與者真正執(zhí)行。

下面看一個網(wǎng)絡(luò)異常的時序圖，更好的理解上述幾種問題

業(yè)務(wù)處理請求4的時候，Cancel在Try之前執(zhí)行，需要處理空回滾
業(yè)務(wù)處理請求6的時候，Cancel重復(fù)執(zhí)行，需要冪等
業(yè)務(wù)處理請求8的時候，Try在Cancel后執(zhí)行，需要處理懸掛

面對上述復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)異常情況，目前看到各家建議的方案都是業(yè)務(wù)方通過唯一鍵，去查詢相關(guān)聯(lián)的操作是否已完成，如果已完成則直接返回成功。相關(guān)的判斷邏輯較復(fù)雜，易出錯，業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)重。

子事務(wù)屏障

在項目DTM中，出現(xiàn)了一種子事務(wù)屏障技術(shù)，使用該技術(shù)，能夠達(dá)到這個效果，看示意圖：

所有這些請求，到了子事務(wù)屏障后：不正常的請求，會被過濾；正常請求，通過屏障。開發(fā)者使用子事務(wù)屏障之后，前面所說的各種異常全部被妥善處理，業(yè)務(wù)開發(fā)人員只需要關(guān)注實際的業(yè)務(wù)邏輯，負(fù)擔(dān)大大降低。
子事務(wù)屏障提供了方法ThroughBarrierCall，方法的原型為：

func ThroughBarrierCall(db *sql.DB, transInfo *TransInfo, busiCall BusiFunc)

業(yè)務(wù)開發(fā)人員，在busiCall里面編寫自己的相關(guān)邏輯，調(diào)用該函數(shù)。ThroughBarrierCall保證，在空回滾、懸掛等場景下，busiCall不會被調(diào)用；在業(yè)務(wù)被重復(fù)調(diào)用時，有冪等控制，保證只被提交一次。

子事務(wù)屏障會管理TCC、SAGA、XA、事務(wù)消息等，也可以擴展到其他領(lǐng)域

子事務(wù)屏障原理

子事務(wù)屏障技術(shù)的原理是，在本地數(shù)據(jù)庫，建立分支事務(wù)狀態(tài)表sub_trans_barrier，唯一鍵為全局事務(wù)id-子事務(wù)id-子事務(wù)分支名稱（try|confirm|cancel）

開啟事務(wù)
如果是Try分支，則那么insert ignore插入gid-branchid-try，如果成功插入，則調(diào)用屏障內(nèi)邏輯
如果是Confirm分支，那么insert ignore插入gid-branchid-confirm，如果成功插入，則調(diào)用屏障內(nèi)邏輯
如果是Cancel分支，那么insert ignore插入gid-branchid-try，再插入gid-branchid-cancel，如果try未插入并且cancel插入成功，則調(diào)用屏障內(nèi)邏輯
屏障內(nèi)邏輯返回成功，提交事務(wù)，返回成功
屏障內(nèi)邏輯返回錯誤，回滾事務(wù)，返回錯誤

在此機制下，解決了網(wǎng)絡(luò)異常相關(guān)的問題

空補償控制--如果Try沒有執(zhí)行，直接執(zhí)行了Cancel，那么Cancel插入gid-branchid-try會成功，不走屏障內(nèi)的邏輯，保證了空補償控制
冪等控制--任何一個分支都無法重復(fù)插入唯一鍵，保證了不會重復(fù)執(zhí)行
防懸掛控制--Try在Cancel之后執(zhí)行，那么插入的gid-branchid-try不成功，就不執(zhí)行，保證了防懸掛控制

對于SAGA事務(wù)，也是類似的機制。

子事務(wù)屏障小結(jié)

子事務(wù)屏障技術(shù)，為DTM首創(chuàng)，它的意義在于設(shè)計簡單易實現(xiàn)的算法，提供了簡單易用的接口，在首創(chuàng)，它的意義在于設(shè)計簡單易實現(xiàn)的算法，提供了簡單易用的接口，在這兩項的幫助下，開發(fā)人員徹底的從網(wǎng)絡(luò)異常的處理中解放出來。

該技術(shù)目前需要搭配DTM事務(wù)管理器，目前SDK已經(jīng)提供給go語言的開發(fā)者。其他語言的sdk正在規(guī)劃中。對于其他的分布式事務(wù)框架，只要提供了合適的分布式事務(wù)信息，能夠按照上述原理，快速實現(xiàn)該技術(shù)。