分布式事務實戰(zhàn)

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1.1事務原理

在講分布式事務之前，先聊一下事務。簡單講事務是數(shù)據庫管理系統(tǒng)執(zhí)行過程中的一個邏輯單元，它能保證要么一組數(shù)據庫操作全部執(zhí)行成功，要么全部失敗，而做到這些的原理就是事務的ACID四大特性。

• A. Atomic原子性的簡稱，事務作為一個整體來執(zhí)行，要么全部成功，要么全部失敗。

• C. Consistency一致性的簡稱，事務應確保數(shù)據從一個一致的狀態(tài)轉變?yōu)榱硪粋€一致的狀態(tài)。

• I.  Isolation隔離性的簡稱，多個事務并發(fā)執(zhí)行時，一個事務的執(zhí)行不影響其他事務的執(zhí)行。

• D．Durability持久性的檢查，已提交的事務修改數(shù)據會被持久保存。

1.2傳統(tǒng)單機數(shù)據庫事務

在傳統(tǒng)單體應用架構中，我們的業(yè)務數(shù)據通常都是存儲在一個數(shù)據庫中的，應用中的各個模塊對數(shù)據庫直接進行操作。在這種場景中，事務是由數(shù)據庫提供的基于ACID特性來保證的。

例如，在一個用戶購物下單的場景中，涉及到用戶、訂單、支付、庫存等模塊的一系列協(xié)同操作，如果其中一個模塊出現(xiàn)問題，我們就可以通過數(shù)據庫提供的事務特性來保證本次下單操作要么都成功，要么都失敗。因為這些模塊用的是同一個數(shù)據庫，所處的是同一個事務管理器，不需要做額外的其他操作就能保證事務的特性。

從廣義上來講，分布式事務其實也是事務，只是區(qū)別于單機事務不同之處是：由于業(yè)務上的定義和系統(tǒng)微服務架構的設計，很多大型的業(yè)務流程都被拆分成了多個單一的基礎服務，而為了保證每個微服務都能獨立進行開發(fā)和部署運行，通常都會采用一個微服務一個數(shù)據庫的架構配套，然后將內部服務進行封裝，以Rest api方式對外暴露。這樣以往基于數(shù)據庫來實現(xiàn)的數(shù)據操作，就變成了多個對外提供微服務的微服務系統(tǒng)之間的協(xié)同操作。在這種情況下，原有的單機事務方式已經不能夠使用了，因為多個服務就意味著存在多個事務管理器和多個資源，單個微服務的本地事務管理器只能保證本地事務的ACID，為了在多個服務之間能保證業(yè)務的事務性，參與分布式事務的微服務通常會依托協(xié)調器來完成相關的一致性協(xié)調操作。

那我們在微服務系統(tǒng)實際開發(fā)中，如何去實現(xiàn)協(xié)調器以處理分布式事務呢，這里的解決方案是采用華為提供的servicecomb-pack框架來解決這一問題。

2. 分布式事務解決方案：

2.1補償方式

在講servicecomb-pack之前先了解兩個概念：不完美補償(saga)和完美補償(tcc)。

1. saga：不完美補償，一般在系統(tǒng)中我們會專門為業(yè)務邏輯對應寫一個補償邏輯，如果業(yè)務邏輯執(zhí)行失敗，就會去執(zhí)行這個補償邏輯，我們稱這個補償邏輯為反向操作，這個反向操作同樣會留下操作痕跡，例如：在銀行系統(tǒng)中，客戶去ATM取錢，銀行會先對用戶賬戶進行扣款操作，如果本次取錢不成功，銀行系統(tǒng)會發(fā)出一筆沖正操作，將之前扣除的款項打回用戶賬戶，這個沖正操作在交易記錄里面是開源查詢到的。

2. tcc：完美補償，cancel階段會徹底清楚之前的業(yè)務邏輯操作，用戶是感知不到的。例如：在一個交易平臺去發(fā)起交易，首先在try階段不會直接去扣除賬戶余額，而且去檢查用戶的額度并刷新額度，然后在confirm階段才去真正操作賬戶。如果出現(xiàn)異常，那么在cancel階段就需要去執(zhí)行業(yè)務邏輯來取消try階段產生的后果，釋放在try階段被占用的額度。整個過程只有等confirm執(zhí)行完畢，交易才算完成。

2.2servicecomb-pack

servicecomb-pack出自于華為微服務框架servicecomb，是一個開源的分布式事務最終一致性解決方案，該項目已交由Apache軟件基金會孵化，目前已經在apache畢業(yè)了。0.3.0版本之前叫servicecomb-saga，現(xiàn)版本已經改名為servicecomb-pack。

servicecomb-pack架構主要包含兩個組件：alpha和Omega

• alpha：alpha其實就是一個server端，需要用戶自行編譯運行，它的作用就是上述中的分布式事務協(xié)調器，主要作用是和Omega客戶端進行通訊，接收omega發(fā)過來的事務事件，然后進行持久化存儲事務以及修改協(xié)調子事務的狀態(tài)，從而保證全局事務中的所有子事務狀態(tài)都一致，即要么全執(zhí)行完成，要么全執(zhí)行失敗。

• omega：Omega端其實可以看成是一個微服務中內嵌的agent，主要作用是監(jiān)控本地子事務的執(zhí)行情況并向alpha-server端發(fā)送子事務執(zhí)行事件以及傳遞全局事務ID，并在異常情況下會根據alpha下發(fā)的操作事件進行相應的補償操作。

Omega會以切面編程的方式向應用程序注入相關的處理模塊，幫助我們構建分布式事務調用的上下文。Omega在事務處理初始階段處理事務的相關準備的操作，在事務執(zhí)行完畢做一些清理的操作，例如創(chuàng)建分布式事務起始事件，以及相關的子事件，根據事務的執(zhí)行的成功或者失敗生產相關的事務終止或者失敗事件。這樣帶來的好處是用戶的代碼只需要添加幾個annotation 來描述分布式事務執(zhí)行范圍，以及與本地的事務處理恢復的相關函數(shù)信息，Omega就能通過切面注入的代碼能夠追蹤與本地事務的執(zhí)行情況。Omega會將本地事務執(zhí)行的情況以事件的方式通知給Alpha。由于單個Omega不可能知曉一個分布式事務下其他參與服務的執(zhí)行情況， 這樣就需要Alpha扮演一個十分重要的協(xié)調者的角色。Alpha將收集到的分布式事務事件信息整理匯總，通過分析這些事件之間的關系可以了解到分布式事務的執(zhí)行情況， Alpha通過向Omega下發(fā)相關的執(zhí)行指令由Omega執(zhí)行相關提交或恢復操作，實現(xiàn)分布式事務的最終一致性。

在了解的Pack實現(xiàn)的部分細節(jié)之后， 我們可以從下圖進一步了解ServiceComb Pack架構下，Alpha與Omega內部各模塊之間的關系圖[1]。

整個架構分為三個部分，一個是Alpha協(xié)調器，另外一個就是注入到微服務實例中的Omega，以及Alpha與Omega之間的交互協(xié)議， 目前ServiceComb Pack支持Saga 以及TCC兩種分布式事務協(xié)調協(xié)議實現(xiàn)。

Omega包含了與分析用戶分布式事務邏輯相關的事務注解模塊（Transaction Annotation）以及事務攔截器（Transaction Interceptor）；分布式事務執(zhí)行相關的事務上下文（Transaction Context），事務回調（Transaction Callback) ，事務執(zhí)行器（Transaction Executor）；以及負責與Alpha進行通訊的事務傳輸（Transaction Transport）模塊。

• 事務注解模塊是分布式事務的用戶界面，用戶將這些標注添加到自己的業(yè)務代碼之上用以描述與分布式事務相關的信息，這樣Omega就可以按照分布式事務的協(xié)調要求進行相關的處理。如果大家擴展自己的分布式事務，也可以通過定義自己的事務標注來實現(xiàn)。

• 事務攔截器這個模塊我們可以借助AOP手段，在用戶標注的代碼基礎上添加相關的攔截代碼，獲取到與分布式事務以及本地事務執(zhí)行相關的信息，并借助事務傳輸模塊與Alpha進行通訊傳遞事件。

• 事務上下文為Omega內部提供了一個傳遞事務調用信息的一個手段，借助前面提到的全局事務ID以及本地事務ID的對應關系，Alpha可以很容易檢索到與一個分布式事務相關的所有本地事務事件信息。

• 事務執(zhí)行器主要是為了處理事務調用超時設計的模塊。由于Alpha與Omega之間的連接有可能不可靠，Alpha端很難判斷Omega本地事務執(zhí)行超時是由Alpha與Omega直接的網絡引起的還是Omega自身調用的問題，因此設計了事務執(zhí)行器來監(jiān)控Omega的本地的執(zhí)行情況，簡化Omega的超時操作。目前Omega的缺省實現(xiàn)是直接調用事務方法，由Alpha的后臺服務通過掃描事件表的方式來確定事務執(zhí)行時間是否超時。

• 事務回調在Omega與Alpha建立連接的時候就會向Alpha進行注冊，當Alpha需要進行相關的協(xié)調操作的時候，會直接調用Omega注冊的回調方法進行通信。由于微服務實例在云化場景啟停會很頻繁，我們不能假設Alpha一直能找到原有注冊上的事務回調， 因此我們建議微服務實例是無狀態(tài)的，這樣Alpha只需要根據服務名就能找到對應的Omega進行通信。

• 事務傳輸模塊負責Omega與Alpha之間的通訊，在具體的實現(xiàn)過程中，Pack通過定義相關的Grpc描述接口文件定義了TCC 以及Saga的事務交互方法， 同時也定義了與交互相關的事件[2]。 

3.1 alpha-server配置

3.1.1編譯alpha-server

1. 環(huán)境準備

• JDK1.8

• Maven3.x

2. 源碼獲取

Github地址：https://github.com/apache/servicecomb-pack

$ git clone：https://github.com/apache/servicecomb-pack.git

$ git checkout 0.4.0

3. 修改配置文件

找到alpha-server/src/main/resource/application.yaml，修改datasource信息為本地信息即可

4. 本地構建alpha-server

$ cd servicecomb-pack

$ mvn clean install -DskipTests -Pspring-boot-2

在執(zhí)行完命令后，可在alpha/alpha-server/target/saga/alpha-server-${version}-exec.jar中找到alpha-server的可執(zhí)行jar包

5. 初始化數(shù)據庫

可在alpha\alpha-server\src\main\resources目錄下找到schema-mysql.sql和schema-postgresql.sql兩個sql文件，可自行根據所選數(shù)據庫進行初始化即可。

6. 啟動alpha-server

java -Dspring.profiles.active=prd -D"spring.datasource.url=jdbc:postgresql://${host_address}:5432/saga?useSSL=false" -jar alpha-server-${saga_version}-exec.jar

*注意：請在執(zhí)行命令前將${saga_version}和${host_address}更改為實際值

至此，alpha-server全局事務管理器已經啟動成功。

3.1.2替換postgresql為mysql

目前alpha-server支持pg和mysql兩種數(shù)據庫，默認為pg，如需改為mysql，需要進行如下操作：

1. 安裝并運行mysql

2. 修改pom文件，添加依賴

alpha-server/pom.xml，添加mysql依賴

ependency>
  <groupId>mysql</groupId>
  <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
  <scope>runtime</scope>
  <version>8.0.15</version>
</dependency>

3. 修改配置文件

找到alpha-server/src/main/resource/application.yaml，修改datasource信息為本地信息即可

spring:
  profiles: mysql
  datasource:
    username: ${username}
    password: ${password}
    url: jdbc:mysql://${host_address}:${port}/${database_name}?serverTimezone=Asia/Shanghai&useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8&useSSL=false
    platform: mysql
    continue-on-error: false
    driver-class-name: com.mysql.cj.jdbc.Driver

（左右滑動查看全部代碼）

4. 本地構建alpha-server（和上面步驟一致）

5. 啟動alpha-server

java -Dspring.profiles.active=mysql -Dloader.path=./plugins -D"spring.datasource.url=jdbc:mysql://${host_address}:3306/${database_name}? serverTimezone=Asia/Shanghai&useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8&useSSL=false " -jar alpha-server-${saga_version}-exec.jar

3.2 Omega配置

配置完alpha-server之后，就相當于分布式事務的協(xié)調器已經配置完成，剩下的就是omega的配置，也就是在實際開發(fā)中如何運用servicecomb-pack去處理分布式事務。本次講解會結合一個實際案例：購物系統(tǒng)中的下單流程和刪除產品流程來分別講解saga模式和tcc模式如何使用的。

3.2.1 環(huán)境準備

本次案例：購物系統(tǒng)是采用分布式微服務架構，整體分為三個微服務應用：orderManage訂單管理應用、productManage產品管理應用、stockManage庫存管理應用

1. 添加依賴

分別在三個應用的pom文件中添加Omega所需的依賴：

<dependency>
    <groupId>org.apache.servicecomb.pack</groupId>
    <artifactId>omega-spring-starter</artifactId>
    <version>${servicecomb-pack.version}</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.apache.servicecomb.pack</groupId>
    <artifactId>omega-transport-resttemplate</artifactId>
    <version>${servicecomb-pack.version}</version>
</dependency>
<!--非必需 -->
<dependency>
    <groupId>org.apache.servicecomb.pack</groupId>
    <artifactId>omega-spring-cloud-consul-starter</artifactId>
    <version>${servicecomb-pack.version}</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.apache.servicecomb.pack</groupId>
    <artifactId>omega-spring-cloud-eureka-starter</artifactId>
    <version>${servicecomb-pack.version}</version>
</dependency>

*注意：請將${servicecomb-pack.version}更改為實際的版本號(推薦版本為0.4.0)

*注意：如需做集群，omega-spring-cloud-consul-starter和omega-spring-cloud-eureka-starter二選一，視項目的注冊中心而定。

2. 修改配置文件

分別在三個應用的application.yml配置文件中添加alpha-server配置，具體配置如下：

#配置alpha-server地址
alpha:
  cluster:
    address: 10.15.15.172:8080
omega:
  enabled: true

注意：application.name一定不要過長，因為instanceId的格式是application.name+IP,并且長度為36，否則alpha-server事務持久化會報錯

以上兩個屬性配置為必填，因為alpha-server會依據application.name去查找對應的Omega，其他應用配置自行添加，address可根據alpha-server中的配置實際添加

至此，環(huán)境準備已經完畢，下面開始進行應用代碼編寫。

3.2.2 saga模式代碼編寫

在本次案例中，我們以一個下單流程來講解saga模式下代碼是如何編寫的。下單流程包括：點擊下單、查詢庫存、支付、更新庫存；訂單應用作為起始服務，調用庫存應用和產品應用，這兩個應用對應的服務作為參與服務(子事務)，在訂單應用下單，訂單應用使用rest template向產品應用發(fā)起調用校驗產品庫存，然后訂單應用向庫存應用發(fā)起支付請求(子事務1)，支付成功后訂單應用再向庫存應用發(fā)起請求更新庫存(子事務2)。

1. @SagaStart

首先需要在應用代碼中描述出saga事務的邊界，作為分布式事務的起始點，因此我們需要在訂單應用中的createOrder()方法上添加該注解@SagaStart：

2. @ Compensable

支付對應補償方法：

更新庫存：

更新庫存補償方法：

*注意：實現(xiàn)的服務和補償方法必須滿足冪等的要求

*注意：默認情況下，超時需要顯示聲明

*注意：若全局事務起點與子事務重合，需同時聲明@SagaStart和@Compensable注解

*注意：補償方法的入參必須與try方法入參一致，否則啟動時會報錯(alpha-server找不到補償方法)

3.2.3 tcc模式代碼編寫

下面我們會以刪除庫存流程來講解tcc模式是如何編寫代碼的。刪除庫存流程：由產品應用發(fā)起(分布式事務起始)，調用庫存應用刪除對應產品的庫存信息(tcc子事務)。

本次調用使用的是feign的方式，因此需要在產品應用中的pom文件添加相應的依賴：

1. @TccStart

我們以產品應用中的delete方法作為分布式事務起始點，因此在該方法上添加注解@TccStart:

2. @ Participate

在子事務所處的方法上添加該注解，并通過confirmMethod 以及cancelMethod屬性定義相關確認以及取消方法名。這里需要注意的是這里提到的confirm，cancel方法的參數(shù)必須和try方法的相同。

Cancel邏輯：

*注意：confirm和cancel方法的入參必須和try方法一致

*注意：目前tcc模式還不支持timeout

3.2.4事件信息獲取

默認情況下，8080端口用來處理Omega處發(fā)起的grpc請求，用來做事務上下文等操作；而8090端口則用于處理查詢alpha處的事件信息。

1. saga-事件信息查詢api

統(tǒng)計所有事件狀態(tài)：

http://${alpha-server.address:port}/saga/stats

統(tǒng)計最近事件狀態(tài)：

http://${alpha-server.address:port}/saga/recent

根據事件狀態(tài)查詢事件列表：

http://${alpha-server.address:port}/saga/transactions

根據服務名稱查詢對應的分布式事件列表：

http://${alpha-server.address:port}/saga/findTransactions

2. tcc-事件信息查詢api

Tcc目前沒有提供正式的查詢接口。但是有測試接口，在AlphaTccEventController中，可自行根據測試接口修改源碼，重新編譯即可。

目前alpha-server提供的事件查詢api不多，若有其他需求，用戶可自行編寫接口對數(shù)據庫進行查詢。

本文所有觀點都出自個人見解，疏漏、錯誤之處在所難免，歡迎大家指正，希望能夠與大家一起交流和進步。

[1]引用自：

http://servicecomb.apache.org/cn/docs/distributed-transaction-of-services-1/

[2]引用自：

http://servicecomb.apache.org/cn/docs/distributed-transaction-of-services-1/