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分布式事務(wù)的7種解決方案是怎樣的,相信很多沒有經(jīng)驗(yàn)的人對(duì)此束手無策,為此本文總結(jié)了問題出現(xiàn)的原因和解決方法,通過這篇文章希望你能解決這個(gè)問題。
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(gè)公司的系統(tǒng)都會(huì)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(gè)難題。
這篇文章首先介紹了相關(guān)的基礎(chǔ)理論,然后總結(jié)了最經(jīng)典的事務(wù)方案,最后給出了子事務(wù)亂序執(zhí)行(冪等、空補(bǔ)償、懸掛問題)的解決方案,分享給大家。
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(shí)。
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(gè)轉(zhuǎn)賬要保證,A-100和B+100同時(shí)成功,或者同時(shí)失敗??纯丛诟鞣N場(chǎng)景下,是如何解決這個(gè)問題的。
把多條語(yǔ)句作為一個(gè)整體進(jìn)行操作的功能,被稱為數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)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(huì)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(huì)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(kù)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(huì)被破壞。
Isolation(隔離性):數(shù)據(jù)庫(kù)允許多個(gè)并發(fā)事務(wù)同時(shí)對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)的修改就是永久的,即便系統(tǒng)故障也不會(huì)丟失。
假如我們的業(yè)務(wù)系統(tǒng)不復(fù)雜,可以在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)、一個(gè)服務(wù)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,完成轉(zhuǎn)賬,那么,我們可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù),保證轉(zhuǎn)賬業(yè)務(wù)的正確完成。
銀行跨行轉(zhuǎn)賬業(yè)務(wù)是一個(gè)典型分布式事務(wù)場(chǎng)景,假設(shè)A需要跨行轉(zhuǎn)賬給B,那么就涉及兩個(gè)銀行的數(shù)據(jù),無法通過一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)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(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)上。本質(zhì)上來說,分布式事務(wù)就是為了保證在分布式場(chǎng)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(jí)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
由于分布式事務(wù)方案,無法做到完全的ACID的保證,沒有一種完美的方案,能夠解決掉所有業(yè)務(wù)問題。因此在實(shí)際應(yīng)用中,會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)的不同特性,選擇最適合的分布式事務(wù)方案。
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(kù)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(shí),向TM報(bào)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(kù)基本都支持XA事務(wù),包括mysql、oracle、sqlserver、postgre
XA 事務(wù)由一個(gè)或多個(gè)資源管理器(RM)、一個(gè)事務(wù)管理器(TM)和一個(gè)應(yīng)用程序(ApplicationProgram)組成。
這里的RM、TM、AP三個(gè)角色是經(jīng)典的角色劃分,會(huì)貫穿后續(xù)Saga、Tcc等事務(wù)模式。
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(huì)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(jiǎn)單易理解,開發(fā)較容易
對(duì)資源進(jìn)行了長(zhǎng)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(yǔ)言以及PHP、Python、Java、C#、Node等都可參考DTM
Saga是這一篇數(shù)據(jù)庫(kù)論文sagas提到的一個(gè)方案。其核心思想是將長(zhǎng)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一旦到了Cancel階段,那么Cancel在業(yè)務(wù)邏輯上是不允許失敗了。如果因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)或者其他臨時(shí)故障,導(dǎo)致沒有返回成功,那么TM會(huì)不斷重試,直到Cancel返回成功。
Saga事務(wù)的特點(diǎn):
并發(fā)度高,不用像XA事務(wù)那樣長(zhǎng)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(duì)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(jiǎn)單的SAGA
SAGA適用的場(chǎng)景較多,長(zhǎng)事務(wù)適用,對(duì)中間結(jié)果不敏感的業(yè)務(wù)場(chǎng)景適用
如果讀者想要進(jìn)一步研究SAGA,可參考DTM,里面包括了SAGA成功、失敗回滾的例子,還包括各類網(wǎng)絡(luò)異常的處理。
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(huì)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的Confirm/Cancel階段在業(yè)務(wù)邏輯上是不允許返回失敗的,如果因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)或者其他臨時(shí)故障,導(dǎo)致不能返回成功,TM會(huì)不斷的重試,直到Confirm/Cancel返回成功。
TCC特點(diǎn)如下:
并發(fā)度較高,無長(zhǎng)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(huì)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(duì)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,可參考DTM
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:
寫本地消息和業(yè)務(wù)操作放在一個(gè)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?/p>
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(huì)進(jìn)行重試
本地消息表的特點(diǎn):
長(zhǎng)事務(wù)僅需要分拆成多個(gè)任務(wù),使用簡(jiǎn)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)
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(duì)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(chǔ)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(duì)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(duì)消費(fèi)者可見)
正常發(fā)送的流程圖如下:
補(bǔ)償流程:
對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(jiǎn)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DTM,也可以參考Rocketmq
發(fā)起通知方通過一定的機(jī)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(jī)制。因?yàn)榻邮胀ㄖ娇赡軟]有接收到通知,此時(shí)要有一定的機(jī)制對(duì)消息重復(fù)通知。
消息校對(duì)機(jī)制。如果盡最大努力也沒有通知到接收方,或者接收方消費(fèi)消息后要再次消費(fèi),此時(shí)可由接收方主動(dòng)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(shí)需要接收通知方主動(dòng)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(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
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(dòng)完成,缺點(diǎn)也類似XA,存在較長(zhǎng)時(shí)間的鎖,不滿足高并發(fā)的場(chǎng)景。從性能的角度看,AT模式會(huì)比XA更高一些,但也帶來了臟回滾這樣的新問題。有興趣的同學(xué)可以參考seata-AT
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:
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(shí)別出這是一個(gè)空回滾,然后直接返回成功。
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(huì)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(qǐng)求都可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常,出現(xiàn)重復(fù)請(qǐng)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(duì)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(cè)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(huì)通知RM回滾該分布式事務(wù),可能回滾完成后,Try 的 RPC 請(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)求6的時(shí)候,Cancel重復(fù)執(zhí)行,需要冪等
業(yè)務(wù)處理請(qǐng)求8的時(shí)候,Try在Cancel后執(zhí)行,需要處理懸掛
面對(duì)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https://github.com/yedf/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(qǐng)求,到了子事務(wù)屏障后:不正常的請(qǐng)求,會(huì)被過濾;正常請(qǐng)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)
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(chǎng)景下,busiCall不會(huì)被調(diào)用;在業(yè)務(wù)被重復(fù)調(diào)用時(shí),有冪等控制,保證只被提交一次。
子事務(wù)屏障會(huì)管理TCC、SAGA、事務(wù)消息等,也可以擴(kuò)展到其他領(lǐng)域
子事務(wù)屏障技術(shù)的原理是,在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),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(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(huì)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(huì)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(duì)于SAGA、事務(wù)消息等,也是類似的機(jī)制。
子事務(wù)屏障技術(shù),為https://github.com/yedf/dtm首創(chuàng),它的意義在于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的算法,提供了簡(jiǎn)單易用的接口,在首創(chuàng),它的意義在于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的算法,提供了簡(jiǎn)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yedf/dtm事務(wù)管理器,目前SDK已經(jīng)提供給Go、Python語(yǔ)言的開發(fā)者。其他語(yǔ)言的sdk正在規(guī)劃中。對(duì)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)。yedf/dtm支持了TCC、XA、SAGA、事務(wù)消息、最大努力通知(使用事務(wù)消息實(shí)現(xiàn)),提供了HTTP、gRPC協(xié)議支持,非常容易接入。
看完上述內(nèi)容,你們掌握分布式事務(wù)的7種解決方案是怎樣的的方法了嗎?如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容,歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道,感謝各位的閱讀!
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