分布式事務(wù)XA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性的協(xié)議與原理

我們在實(shí)用單點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的一般的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫都有實(shí)現(xiàn)事務(wù)ACID屬性的方法，一般使用諸如UNDO,REDO等。但在使用分布式數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，如何來保證數(shù)據(jù)的一致性呢？典型的影響場景就是大家已經(jīng)聽到過很多次的銀行轉(zhuǎn)賬這個(gè)了。如果A用戶在向B用戶跨行轉(zhuǎn)賬的時(shí)候。因此如何來保證分布式事務(wù)的ACID，也有了比較成熟的方案，一般是2段提交2PC協(xié)議或者改進(jìn)版也就是3段提交3PC協(xié)議，下面來分別簡單介紹下。

2PC協(xié)議也成為2段提交，1prepare階段，2commit階段。

所謂的兩個(gè)階段是指：第一階段：準(zhǔn)備階段(投票階段)和第二階段：提交階段（執(zhí)行階段）。

準(zhǔn)備階段

事務(wù)協(xié)調(diào)者(事務(wù)管理器)給每個(gè)參與者(資源管理器)發(fā)送Prepare消息，每個(gè)參與者要么直接返回失敗(如權(quán)限驗(yàn)證失敗)，要么在本地執(zhí)行事務(wù)，寫本地的redo和undo日志，但不提交，到達(dá)一種“萬事俱備，只欠東風(fēng)”的狀態(tài)。

可以進(jìn)一步將準(zhǔn)備階段分為以下三個(gè)步驟：

1）協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)向所有參與者節(jié)點(diǎn)詢問是否可以執(zhí)行提交操作(vote)，并開始等待各參與者節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)。

2）參與者節(jié)點(diǎn)執(zhí)行詢問發(fā)起為止的所有事務(wù)操作，并將Undo信息和Redo信息寫入日志。（注意：若成功這里其實(shí)每個(gè)參與者已經(jīng)執(zhí)行了事務(wù)操作）

3）各參與者節(jié)點(diǎn)響應(yīng)協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)發(fā)起的詢問。如果參與者節(jié)點(diǎn)的事務(wù)操作實(shí)際執(zhí)行成功，則它返回一個(gè)”同意”消息；如果參與者節(jié)點(diǎn)的事務(wù)操作實(shí)際執(zhí)行失敗，則它返回一個(gè)”中止”消息。

提交階段

如果協(xié)調(diào)者收到了參與者的失敗消息或者超時(shí)，直接給每個(gè)參與者發(fā)送回滾(Rollback)消息；否則，發(fā)送提交(Commit)消息；參與者根據(jù)協(xié)調(diào)者的指令執(zhí)行提交或者回滾操作，釋放所有事務(wù)處理過程中使用的鎖資源。(注意:必須在最后階段釋放鎖資源)

接下來分兩種情況分別討論提交階段的過程。

當(dāng)協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)從所有參與者節(jié)點(diǎn)獲得的相應(yīng)消息都為”同意”時(shí):

1）協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)向所有參與者節(jié)點(diǎn)發(fā)出”正式提交(commit)”的請求。

2）參與者節(jié)點(diǎn)正式完成操作，并釋放在整個(gè)事務(wù)期間內(nèi)占用的資源。

3）參與者節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)發(fā)送”完成”消息。

4）協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)受到所有參與者節(jié)點(diǎn)反饋的”完成”消息后，完成事務(wù)。

如果任一參與者節(jié)點(diǎn)在第一階段返回的響應(yīng)消息為”中止”，或者 協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)在第一階段的詢問超時(shí)之前無法獲取所有參與者節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)消息時(shí)：

1）協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)向所有參與者節(jié)點(diǎn)發(fā)出”回滾操作(rollback)”的請求。

2）參與者節(jié)點(diǎn)利用之前寫入的Undo信息執(zhí)行回滾，并釋放在整個(gè)事務(wù)期間內(nèi)占用的資源。

3）參與者節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)發(fā)送”回滾完成”消息。

4）協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)受到所有參與者節(jié)點(diǎn)反饋的”回滾完成”消息后，取消事務(wù)。

不管最后結(jié)果如何，第二階段都會(huì)結(jié)束當(dāng)前事務(wù)。

二階段提交看起來確實(shí)能夠提供原子性的操作，但是不幸的事，二階段提交還是有幾個(gè)缺點(diǎn)的：

1、同步阻塞問題。執(zhí)行過程中，所有參與節(jié)點(diǎn)都是事務(wù)阻塞型的。當(dāng)參與者占有公共資源時(shí)，其他第三方節(jié)點(diǎn)訪問公共資源不得不處于阻塞狀態(tài)。

2、單點(diǎn)故障。由于協(xié)調(diào)者的重要性，一旦協(xié)調(diào)者發(fā)生故障。參與者會(huì)一直阻塞下去。尤其在第二階段，協(xié)調(diào)者發(fā)生故障，那么所有的參與者還都處于鎖定事務(wù)資源的狀態(tài)中，而無法繼續(xù)完成事務(wù)操作。（如果是協(xié)調(diào)者掛掉，可以重新選舉一個(gè)協(xié)調(diào)者，但是無法解決因?yàn)閰f(xié)調(diào)者宕機(jī)導(dǎo)致的參與者處于阻塞狀態(tài)的問題）

3、數(shù)據(jù)不一致。在二階段提交的階段二中，當(dāng)協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送commit請求之后，發(fā)生了局部網(wǎng)絡(luò)異常或者在發(fā)送commit請求過程中協(xié)調(diào)者發(fā)生了故障，這回導(dǎo)致只有一部分參與者接受到了commit請求。而在這部分參與者接到commit請求之后就會(huì)執(zhí)行commit操作。但是其他部分未接到commit請求的機(jī)器則無法執(zhí)行事務(wù)提交。于是整個(gè)分布式系統(tǒng)便出現(xiàn)了數(shù)據(jù)部一致性的現(xiàn)象。

4、二階段無法解決的問題：協(xié)調(diào)者再發(fā)出commit消息之后宕機(jī)，而唯一接收到這條消息的參與者同時(shí)也宕機(jī)了。那么即使協(xié)調(diào)者通過選舉協(xié)議產(chǎn)生了新的協(xié)調(diào)者，這條事務(wù)的狀態(tài)也是不確定的，沒人知道事務(wù)是否被已經(jīng)提交。

由于二階段提交存在著諸如同步阻塞、單點(diǎn)問題、腦裂等缺陷，所以，研究者們在二階段提交的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，提出了三階段提交。

PC

三階段提交（Three-phase commit），也叫三階段提交協(xié)議（Three-phase commit protocol），是二階段提交（2PC）的改進(jìn)版本。

與兩階段提交不同的是，三階段提交有兩個(gè)改動(dòng)點(diǎn)。

1、引入超時(shí)機(jī)制。同時(shí)在協(xié)調(diào)者和參與者中都引入超時(shí)機(jī)制。
2、在第一階段和第二階段中插入一個(gè)準(zhǔn)備階段。保證了在最后提交階段之前各參與節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是一致的。

也就是說，除了引入超時(shí)機(jī)制之外，3PC把2PC的準(zhǔn)備階段再次一分為二，這樣三階段提交就有CanCommit、PreCommit、DoCommit三個(gè)階段。

CanCommit階段

3PC的CanCommit階段其實(shí)和2PC的準(zhǔn)備階段很像。協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送commit請求，參與者如果可以提交就返回Yes響應(yīng)，否則返回No響應(yīng)。

1.事務(wù)詢問 協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送CanCommit請求。詢問是否可以執(zhí)行事務(wù)提交操作。然后開始等待參與者的響應(yīng)。

2.響應(yīng)反饋 參與者接到CanCommit請求之后，正常情況下，如果其自身認(rèn)為可以順利執(zhí)行事務(wù)，則返回Yes響應(yīng)，并進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)。否則反饋No

PreCommit階段

協(xié)調(diào)者根據(jù)參與者的反應(yīng)情況來決定是否可以記性事務(wù)的PreCommit操作。根據(jù)響應(yīng)情況，有以下兩種可能。

假如協(xié)調(diào)者從所有的參與者獲得的反饋都是Yes響應(yīng)，那么就會(huì)執(zhí)行事務(wù)的預(yù)執(zhí)行。

1.發(fā)送預(yù)提交請求 協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送PreCommit請求，并進(jìn)入Prepared階段。

2.事務(wù)預(yù)提交 參與者接收到PreCommit請求后，會(huì)執(zhí)行事務(wù)操作，并將undo和redo信息記錄到事務(wù)日志中。

3.響應(yīng)反饋 如果參與者成功的執(zhí)行了事務(wù)操作，則返回ACK響應(yīng)，同時(shí)開始等待最終指令。

假如有任何一個(gè)參與者向協(xié)調(diào)者發(fā)送了No響應(yīng)，或者等待超時(shí)之后，協(xié)調(diào)者都沒有接到參與者的響應(yīng)，那么就執(zhí)行事務(wù)的中斷。

1.發(fā)送中斷請求 協(xié)調(diào)者向所有參與者發(fā)送abort請求。

2.中斷事務(wù) 參與者收到來自協(xié)調(diào)者的abort請求之后（或超時(shí)之后，仍未收到協(xié)調(diào)者的請求），執(zhí)行事務(wù)的中斷。

doCommit階段

該階段進(jìn)行真正的事務(wù)提交，也可以分為以下兩種情況。

執(zhí)行提交

1.發(fā)送提交請求 協(xié)調(diào)接收到參與者發(fā)送的ACK響應(yīng)，那么他將從預(yù)提交狀態(tài)進(jìn)入到提交狀態(tài)。并向所有參與者發(fā)送doCommit請求。

2.事務(wù)提交 參與者接收到doCommit請求之后，執(zhí)行正式的事務(wù)提交。并在完成事務(wù)提交之后釋放所有事務(wù)資源。

3.響應(yīng)反饋 事務(wù)提交完之后，向協(xié)調(diào)者發(fā)送Ack響應(yīng)。

4.完成事務(wù) 協(xié)調(diào)者接收到所有參與者的ack響應(yīng)之后，完成事務(wù)。

中斷事務(wù) 協(xié)調(diào)者沒有接收到參與者發(fā)送的ACK響應(yīng)（可能是接受者發(fā)送的不是ACK響應(yīng)，也可能響應(yīng)超時(shí)），那么就會(huì)執(zhí)行中斷事務(wù)。

在doCommit階段，如果參與者無法及時(shí)接收到來自協(xié)調(diào)者的doCommit或者rebort請求時(shí)，會(huì)在等待超時(shí)之后，會(huì)繼續(xù)進(jìn)行事務(wù)的提交。（其實(shí)這個(gè)應(yīng)該是基于概率來決定的，當(dāng)進(jìn)入第三階段時(shí)，說明參與者在第二階段已經(jīng)收到了PreCommit請求，那么協(xié)調(diào)者產(chǎn)生PreCommit請求的前提條件是他在第二階段開始之前，收到所有參與者的CanCommit響應(yīng)都是Yes。（一旦參與者收到了PreCommit，意味他知道大家其實(shí)都同意修改了）所以，一句話概括就是，當(dāng)進(jìn)入第三階段時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)超時(shí)等原因，雖然參與者沒有收到commit或者abort響應(yīng)，但是他有理由相信：成功提交的幾率很大。 ）