分布式事務(wù)解決方案，中間件 Seata 的設(shè)計(jì)原理詳解

作者：張乘輝

前言

在微服務(wù)架構(gòu)體系下，我們可以按照業(yè)務(wù)模塊分層設(shè)計(jì)，單獨(dú)部署，減輕了服務(wù)部署壓力，也解耦了業(yè)務(wù)的耦合，避免了應(yīng)用逐漸變成一個(gè)龐然怪物，從而可以輕松擴(kuò)展，在某些服務(wù)出現(xiàn)故障時(shí)也不會(huì)影響其它服務(wù)的正常運(yùn)行?？傊⒎?wù)在業(yè)務(wù)的高速發(fā)展中帶給我們?cè)絹?lái)越多的優(yōu)勢(shì)，但是微服務(wù)并不是十全十美，因此不能盲目過(guò)度濫用，它有很多不足，而且會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)一定的復(fù)雜度，其中伴隨而來(lái)的分布式事務(wù)問(wèn)題，是微服務(wù)架構(gòu)體系下必然需要處理的一個(gè)痛點(diǎn)，也是業(yè)界一直關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域，因此也出現(xiàn)了諸如 CAP 和 BASE 等理論。

在今年年初，阿里開(kāi)源了一個(gè)分布式事務(wù)中間件，起初起名為 Fescar，后改名為 Seata，在它開(kāi)源之初，我就知道它肯定要火，因?yàn)檫@是一個(gè)解決痛點(diǎn)的開(kāi)源項(xiàng)目，Seata 一開(kāi)始就是沖著對(duì)業(yè)務(wù)無(wú)侵入與高性能方向走，這正是我們對(duì)解決分布式事務(wù)問(wèn)題迫切的需求。

分布式事務(wù)解決的方案有哪些？

目前分布式事務(wù)解決的方案主要有對(duì)業(yè)務(wù)無(wú)入qin和有入qin的方案，無(wú)入qin方案主要有基于數(shù)據(jù)庫(kù) XA 協(xié)議的兩段式提交（2PC）方案，它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)業(yè)務(wù)代碼無(wú)入qin，但是它的缺點(diǎn)也是很明顯：必須要求數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì) XA 協(xié)議的支持，且由于 XA 協(xié)議自身的特點(diǎn)，它會(huì)造成事務(wù)資源長(zhǎng)時(shí)間得不到釋放，鎖定周期長(zhǎng)，而且在應(yīng)用層上面無(wú)法干預(yù)，因此它性能很差，它的存在相當(dāng)于七傷拳那樣“傷人七分，損己三分”，因此在互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中并不是很流行這種解決方案。

為了這個(gè)彌補(bǔ)這種方案帶來(lái)性能低的問(wèn)題，大佬們又想出了很多種方案來(lái)解決，但這無(wú)一例外都需要通過(guò)在應(yīng)用層做手腳，即入qin業(yè)務(wù)的方式，比如很出名的 TCC 方案，基于 TCC 也有很多成熟的框架，如 ByteTCC、tcc-transaction 等。以及基于可靠消息的最終一致性來(lái)實(shí)現(xiàn)，如 RocketMQ 的事務(wù)消息。

入qin代碼的方案是基于現(xiàn)有情形“迫不得已”才推出的解決方案，實(shí)際上它們實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常不優(yōu)雅，一個(gè)事務(wù)的調(diào)用通常伴隨而來(lái)的是對(duì)該事務(wù)接口增加一系列的反向操作，比如 TCC 三段式提交，提交邏輯必然伴隨著回滾的邏輯，這樣的代碼會(huì)使得項(xiàng)目非常臃腫，維護(hù)成本高。

Seata 各模塊之間的關(guān)系

針對(duì)上面所說(shuō)的分布式事務(wù)解決方案的痛點(diǎn)，那很顯然，我們理想的分布式事務(wù)解決方案肯定是性能要好而且要對(duì)業(yè)務(wù)無(wú)入qin，業(yè)務(wù)層上無(wú)需關(guān)心分布式事務(wù)機(jī)制的約束，Seata 正是往這個(gè)方向發(fā)展的，因此它非常值得期待，它將給我們的微服務(wù)架構(gòu)帶來(lái)質(zhì)的提升。

那 Seata 是怎么做到的呢？下面說(shuō)說(shuō)它的各個(gè)模塊之間的關(guān)系。

Seata 的設(shè)計(jì)思路是將一個(gè)分布式事務(wù)可以理解成一個(gè)全局事務(wù)，下面掛了若干個(gè)分支事務(wù)，而一個(gè)分支事務(wù)是一個(gè)滿足 ACID 的本地事務(wù)，因此我們可以操作分布式事務(wù)像操作本地事務(wù)一樣。

Seata 內(nèi)部定義了 3個(gè)模塊來(lái)處理全局事務(wù)和分支事務(wù)的關(guān)系和處理過(guò)程，這三個(gè)組件分別是：

?Transaction Coordinator (TC)：事務(wù)協(xié)調(diào)器，維護(hù)全局事務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)并驅(qū)動(dòng)全局事務(wù)的提交或回滾。

?Transaction Manager (TM)：控制全局事務(wù)的邊界，負(fù)責(zé)開(kāi)啟一個(gè)全局事務(wù)，并最終發(fā)起全局提交或全局回滾的決議。

?Resource Manager (RM)：控制分支事務(wù)，負(fù)責(zé)分支注冊(cè)、狀態(tài)匯報(bào)，并接收事務(wù)協(xié)調(diào)器的指令，驅(qū)動(dòng)分支（本地）事務(wù)的提交和回滾。

簡(jiǎn)要說(shuō)說(shuō)整個(gè)全局事務(wù)的執(zhí)行步驟：

1.TM 向 TC 申請(qǐng)開(kāi)啟一個(gè)全局事務(wù)，TC 創(chuàng)建全局事務(wù)后返回全局唯一的 XID，XID 會(huì)在全局事務(wù)的上下文中傳播；

2.RM 向 TC 注冊(cè)分支事務(wù)，該分支事務(wù)歸屬于擁有相同 XID 的全局事務(wù)；

3.TM 向 TC 發(fā)起全局提交或回滾；

4.TC 調(diào)度 XID 下的分支事務(wù)完成提交或者回滾。

與 XA 方案有什么不同？

Seata 的事務(wù)提交方式跟 XA 協(xié)議的兩段式提交在總體上來(lái)說(shuō)基本是一致的，那它們之間有什么不同呢？

我們都知道 XA 協(xié)議它依賴的是數(shù)據(jù)庫(kù)層面來(lái)保障事務(wù)的一致性，也即是說(shuō) XA 的各個(gè)分支事務(wù)是在數(shù)據(jù)庫(kù)層面上驅(qū)動(dòng)的，由于 XA 的各個(gè)分支事務(wù)需要有 XA 的驅(qū)動(dòng)程序，一方面會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)與 XA 驅(qū)動(dòng)耦合，另一方面它會(huì)導(dǎo)致各個(gè)分支的事務(wù)資源鎖定周期長(zhǎng)，這也是它沒(méi)有在互聯(lián)網(wǎng)公司流行的重要因素。

基于 XA 協(xié)議以上的問(wèn)題，Seata 另辟蹊徑，既然在依賴數(shù)據(jù)庫(kù)層會(huì)導(dǎo)致這么多問(wèn)題，那我就從應(yīng)用層做手腳，這還得從 Seata 的 RM 模塊說(shuō)起，前面也說(shuō)過(guò) RM 的主要作用了，其實(shí) RM 在內(nèi)部做了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的代理層，如下：

Seata 在數(shù)據(jù)源做了一層代理層，所以我們使用 Seata 時(shí)，我們使用的數(shù)據(jù)源實(shí)際上用的是 Seata 自帶的數(shù)據(jù)源代理 DataSourceProxy，Seata 在這層代理中加入了很多邏輯，主要是解析 SQL，把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在更新前后的數(shù)據(jù)鏡像組織成回滾日志，并將 undo log 日志插入 undo_log 表中，保證每條更新數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù) sql 都有對(duì)應(yīng)的回滾日志存在。

這樣做的好處就是，本地事務(wù)執(zhí)行完可以立即釋放本地事務(wù)鎖定的資源，然后向 TC 上報(bào)分支狀態(tài)。當(dāng) TM 決議全局提交時(shí)，就不需要同步協(xié)調(diào)處理了，TC 會(huì)異步調(diào)度各個(gè) RM 分支事務(wù)刪除對(duì)應(yīng)的 undo log 日志即可，這個(gè)步驟非常快速地可以完成；當(dāng) TM 決議全局回滾時(shí)，RM 收到 TC 發(fā)送的回滾請(qǐng)求，RM 通過(guò) XID 找到對(duì)應(yīng)的 undo log 回滾日志，然后執(zhí)行回滾日志完成回滾操作。

如上圖所示，XA 方案的 RM 是放在數(shù)據(jù)庫(kù)層的，它依賴了數(shù)據(jù)庫(kù)的 XA 驅(qū)動(dòng)程序。

如上圖所示，Seata 的 RM 實(shí)際上是已中間件的形式放在應(yīng)用層，不用依賴數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)協(xié)議的支持，完全剝離了分布式事務(wù)方案對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)在協(xié)議支持上的要求。

分支事務(wù)如何提交和回滾？

下面詳細(xì)說(shuō)說(shuō)分支事務(wù)是如何提交和回滾的：

?第一階段：

分支事務(wù)利用 RM 模塊中對(duì) JDBC 數(shù)據(jù)源代理，加入了若干流程，對(duì)業(yè)務(wù) SQL 進(jìn)行解釋，把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在更新前后的數(shù)據(jù)鏡像組織成回滾日志，并生成 undo log 日志，對(duì)全局事務(wù)鎖的檢查以及分支事務(wù)的注冊(cè)等，利用本地事務(wù) ACID 特性，將業(yè)務(wù) SQL 和 undo log 寫(xiě)入同一個(gè)事物中一同提交到數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證業(yè)務(wù) SQL 必定存在相應(yīng)的回滾日志，最后對(duì)分支事務(wù)狀態(tài)向 TC 進(jìn)行上報(bào)。

?第二階段：

TM決議全局提交：

當(dāng) TM 決議提交時(shí)，就不需要同步協(xié)調(diào)處理了，TC 會(huì)異步調(diào)度各個(gè) RM 分支事務(wù)刪除對(duì)應(yīng)的 undo log 日志即可，這個(gè)步驟非常快速地可以完成。這個(gè)機(jī)制對(duì)于性能提升非常關(guān)鍵，我們知道正常的業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中，事務(wù)執(zhí)行的成功率是非常高的，因此可以直接在本地事務(wù)中提交，這步對(duì)于提升性能非常顯著。

TM決議全局回滾：

當(dāng) TM 決議回滾時(shí)，RM 收到 TC 發(fā)送的回滾請(qǐng)求，RM 通過(guò) XID 找到對(duì)應(yīng)的 undo log 回滾日志，然后利用本地事務(wù) ACID 特性，執(zhí)行回滾日志完成回滾操作并刪除 undo log 日志，最后向 TC 進(jìn)行回滾結(jié)果上報(bào)。

業(yè)務(wù)對(duì)以上所有的流程都無(wú)感知，業(yè)務(wù)完全不關(guān)心全局事務(wù)的具體提交和回滾，而且最重要的一點(diǎn)是 Seata 將兩段式提交的同步協(xié)調(diào)分解到各個(gè)分支事務(wù)中了，分支事務(wù)與普通的本地事務(wù)無(wú)任何差異，這意味著我們使用 Seata 后，分布式事務(wù)就像使用本地事務(wù)一樣，完全將數(shù)據(jù)庫(kù)層的事務(wù)協(xié)調(diào)機(jī)制交給了中間件層 Seata 去做了，這樣雖然事務(wù)協(xié)調(diào)搬到應(yīng)用層了，但是依然可以做到對(duì)業(yè)務(wù)的零侵入，從而剝離了分布式事務(wù)方案對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)在協(xié)議支持上的要求，且 Seata 在分支事務(wù)完成之后直接釋放資源，極大減少了分支事務(wù)對(duì)資源的鎖定時(shí)間，完美避免了 XA 協(xié)議需要同步協(xié)調(diào)導(dǎo)致資源鎖定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。

其它方案的補(bǔ)充

上面說(shuō)的其實(shí)是 Seata 的默認(rèn)模式，也叫 AT 模式，它是類似于 XA 方案的兩段式提交方案，并且是對(duì)業(yè)務(wù)無(wú)侵入，但是這種機(jī)制依然是需要依賴數(shù)據(jù)庫(kù)本地事務(wù)的 ACID 特性，有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，我在上面的圖中都強(qiáng)調(diào)了必須是支持 ACID 特性的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，那么問(wèn)題就來(lái)了，非關(guān)系型或者不支持 ACID 的數(shù)據(jù)庫(kù)就無(wú)法使用 Seata 了，別慌，Seata 現(xiàn)階段為我們準(zhǔn)備了另外一種模式，叫 MT 模式，它是一種對(duì)業(yè)務(wù)有入qin的方案，提交回滾等操作需要我們自行定義，業(yè)務(wù)邏輯需要被分解為 Prepare/Commit/Rollback 3 部分，形成一個(gè) MT 分支，加入全局事務(wù)，它存在的意義是為 Seata 觸達(dá)更多的場(chǎng)景。

只不過(guò)，它不是 Seata “主打”的模式，它的存在僅僅作為補(bǔ)充的方案，從以上官方的發(fā)展遠(yuǎn)景就可以看出來(lái)，Seata 的目標(biāo)是始終是對(duì)業(yè)務(wù)無(wú)入qin的方案。

最后
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