分布式事務(wù)最經(jīng)典的七種解決方案

來源：segmentfault.com/a/1190000040321750

◆  基礎(chǔ)理論

◆  事務(wù)

把多條語句作為一個(gè)整體進(jìn)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(gè)屬性：原子性、一致性、隔離性、持久性。這四個(gè)屬性通常稱為 ACID 特性。

• Atomicity（原子性）：一個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)。事務(wù)在執(zhí)行過程中發(fā)生錯(cuò)誤，會被恢復(fù)到事務(wù)開始前的狀態(tài)，就像這個(gè)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(gè)并發(fā)事務(wù)同時(shí)對其數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫和修改的能力，隔離性可以防止多個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時(shí)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)

◆  分布式事務(wù)的解決方案

◆  兩階段提交/XA

XA一共分為兩階段：

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

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

XA事務(wù)的特點(diǎn)是：

• 簡單易理解，開發(fā)較容易

• 對資源進(jìn)行了長時(shí)間的鎖定，并發(fā)度低

如果讀者想要進(jìn)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(gè)方案。其核心思想是將長事務(wù)拆分為多個(gè)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(gè)步驟失敗，則根據(jù)相反順序一次調(diào)用補(bǔ)償操作。

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

SAGA事務(wù)的特點(diǎn)：

• 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(bǔ)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(jìn)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(gè)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(jì)，Confirm 失敗后需要進(jìn)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(jì)。

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(gè)成功完成的TCC事務(wù)時(shí)序圖如下：

TCC特點(diǎn)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(jìn)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(gè)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(jì)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：

搜索公眾號互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)師后臺回復(fù)“2T”，獲取一份驚喜禮包。

容錯(cuò)機(jī)制：

• 扣減余額事務(wù) 失敗時(shí)，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(jìn)行重試

本地消息表的特點(diǎn)：

• 長事務(wù)僅需要分拆成多個(gè)任務(wù)，使用簡單

• 生產(chǎn)者需要額外的創(chuàng)建消息表

• 每個(gè)本地消息表都需要進(jìn)行輪詢

• 消費(fèi)者的邏輯如果無法通過重試成功，那么還需要更多的機(jī)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(jìn)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(shí)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(fèi)者可見）

正常發(fā)送的流程圖如下：

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(jī)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(gè)反查接口

事務(wù)消息特點(diǎn)如下：

• 長事務(wù)僅需要分拆成多個(gè)任務(wù)，并提供一個(gè)反查接口，使用簡單

• 消費(fèi)者的邏輯如果無法通過重試成功，那么還需要更多的機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)

◆  最大努力通知

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(duì)列ACK機(jī)制，消息隊(duì)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(shí)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(gè)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(xiàng)目seata中的一種事務(wù)模式，在螞蟻金服也被稱為FMT。優(yōu)點(diǎn)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(bǔ)償操作，回滾由框架自動完成，缺點(diǎn)也類似AT，存在較長時(shí)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

◆  分布式事務(wù)中的網(wǎng)絡(luò)異常

在分布式事務(wù)的各個(gè)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(gè)特性，下面以TCC事務(wù)說明這些異常情況：

空回滾：

出現(xiàn)原因是當(dāng)一個(gè)分支事務(wù)所在服務(wù)宕機(jī)或網(wǎng)絡(luò)異常，分支事務(wù)調(diào)用記錄為失敗，這個(gè)時(shí)候其實(shí)是沒有執(zhí)行Try階段，當(dāng)故障恢復(fù)后，分布式事務(wù)進(jìn)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(gè)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(gè)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(shí)，先注冊分支事務(wù)，再執(zhí)行RPC調(diào)用，如果此時(shí) RPC 調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁堵，RPC 超時(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)異常的時(shí)序圖，更好的理解上述幾種問題

業(yè)務(wù)處理請求4的時(shí)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(shí)候，Cancel重復(fù)執(zhí)行，需要冪等
業(yè)務(wù)處理請求8的時(shí)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(cuò)，業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)重。

在項(xiàng)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(gè)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(shí)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)

• 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(cuò)誤，回滾事務(wù)，返回錯(cuò)誤

在此機(jī)制下，解決了網(wǎng)絡(luò)異常相關(guān)的問題

• 空補(bǔ)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(bǔ)償控制

• 冪等控制--任何一個(gè)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(jī)制。

子事務(wù)屏障技術(shù)，為DTM首創(chuàng)，它的意義在于設(shè)計(jì)簡單易實(shí)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(jì)簡單易實(shí)現(xiàn)的算法，提供了簡單易用的接口，在這兩項(xiàng)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(shí)現(xiàn)該技術(shù)。

◆  總結(jié)