分布式事務解決方案之2PC(兩階段送出)
前面已經學習了分布式事務的基礎理論，以理論為基礎，針對不同的分布式場景業界常見的解決方案有2PC、TCC、可靠消息最終一緻性、最大努力通知這幾種。
3.1.什麼是2PC
2PC即兩階段送出協定，是将整個事務流程分為兩個階段，準備階段（Prepare phase）、送出階段（commit phase），2是指兩個階段，P是指準備階段，C是指送出階段。
舉例：張三和李四好久不見，老友約起聚餐，飯店老闆要求先買單，才能出票。這時張三和李四分别抱怨近況不如意，囊中羞澀，都不願意請客，這時隻能AA。隻有張三和李四都付款，老闆才能出票安排就餐。但由于張三和李四都是鐵公雞，形成了尴尬的一幕：
準備階段：老闆要求張三付款，張三付款。老闆要求李四付款，李四付款。
送出階段：老闆出票，兩人拿票紛紛落座就餐。
例子中形成了一個事務，若張三或李四其中一人拒絕付款，或錢不夠，店老闆都不會給出票，并且會把已收款退回。
整個事務過程由事務管理器和參與者組成，店老闆就是事務管理器，張三、李四就是事務參與者，事務管理器負責決策整個分布式事務的送出和復原，事務參與者負責自己本地事務的送出和復原。
在計算機中部分關系資料庫如Oracle、MySQL支援兩階段送出協定，如下圖：
1. 準備階段（Prepare phase）：事務管理器給每個參與者發送Prepare消息，每個資料庫參與者在本地執行事務，并寫本地的Undo/Redo日志，此時事務沒有送出。
（Undo日志是記錄修改前的資料，用于資料庫復原，Redo日志是記錄修改後的資料，用于送出事務後寫入資料檔案）
2. 送出階段（commit phase）：如果事務管理器收到了參與者的執行失敗或者逾時消息時，直接給每個參與者發送復原(Rollback)消息；否則，發送送出(Commit)消息；參與者根據事務管理器的指令執行送出或者復原操作，并釋放事務處理過程中使用的鎖資源。注意:必須在最後階段釋放鎖資源。
下圖展示了2PC的兩個階段，分成功和失敗兩個情況說明：成功情況：
失敗情況：
3.2.解決方案
3.2.1 XA方案
2PC的傳統方案是在資料庫層面實作的，如Oracle、MySQL都支援2PC協定，為了統一标準減少行業内不必要的對接成本，需要制定标準化的處理模型及接口标準，國際開放标準組織Open Group定義了分布式事務處理模型DTP（Distributed Transaction Processing Reference Model）。
為了讓大家更明确XA方案的内容程，下面新使用者注冊送積分為例來說明：
執行流程如下：
1、應用程式（AP）持有使用者庫和積分庫兩個資料源。
2、應用程式（AP）通過TM通知使用者庫RM新增使用者，同時通知積分庫RM為該使用者新增積分，RM此時并未送出事務，此時使用者和積分資源鎖定。
3、TM收到執行回複，隻要有一方失敗則分别向其他RM發起復原事務，復原完畢，資源鎖釋放。
4、TM收到執行回複，全部成功，此時向所有RM發起送出事務，送出完畢，資源鎖釋放。
DTP模型定義如下角色：
AP(Application Program)：即應用程式，可以了解為使用DTP分布式事務的程式。
RM(Resource Manager)：即資料總管，可以了解為事務的參與者，一般情況下是指一個資料庫執行個體，通過資料總管對該資料庫進行控制，資料總管控制着分支事務。
TM(Transaction Manager)：事務管理器，負責協調和管理事務，事務管理器控制着全局事務，管理事務生命周期，并協調各個RM。全局事務是指分布式事務處理環境中，需要操作多個資料庫共同完成一個工作，這個工作即是一個全局事務。
DTP模型定義TM和RM之間通訊的接口規範叫XA，簡單了解為資料庫提供的2PC接口協定，基于資料庫的XA協定來實作2PC又稱為XA方案。
以上三個角色之間的互動方式如下：
1）TM向AP提供 應用程式程式設計接口，AP通過TM送出及復原事務。
2）TM交易中間件通過XA接口來通知RM資料庫事務的開始、結束以及送出、復原等。
總結：
整個2PC的事務流程涉及到三個角色AP、RM、TM。AP指的是使用2PC分布式事務的應用程式；RM指的是資料總管，它控制着分支事務；TM指的是事務管理器，它控制着整個全局事務。
1）在準備階段RM執行實際的業務操作，但不送出事務，資源鎖定；
2）在送出階段TM會接受RM在準備階段的執行回複，隻要有任一個RM執行失敗，TM會通知所有RM執行復原操作，否則，TM将會通知所有RM送出該事務。送出階段結束資源鎖釋放。
XA方案的問題：
1、需要本地資料庫支援XA協定。
2、資源鎖需要等到兩個階段結束才釋放，性能較差。
3.2.2 Seata方案
Seata是由阿裡中間件團隊發起的開源項目 Fescar，後更名為Seata，它是一個是開源的分布式事務架構。
傳統2PC的問題在Seata中得到了解決，它通過對本地關系資料庫的分支事務的協調來驅動完成全局事務，是工作在應用層的中間件。主要優點是性能較好，且不長時間占用連接配接資源，它以高效并且對業務0侵入的方式解決微服務場景下面臨的分布式事務問題，它目前提供AT模式(即2PC)及TCC模式的分布式事務解決方案。
Seata的設計思想如下：
Seata的設計目标其一是對業務無侵入，是以從業務無侵入的2PC方案着手，在傳統2PC的基礎上演進，并解決2PC方案面臨的問題
Seata把一個分布式事務了解成一個包含了若幹分支事務的全局事務。全局事務的職責是協調其下管轄的分支事務達成一緻，要麼一起成功送出，要麼一起失敗復原。此外，通常分支事務本身就是一個關系資料庫的本地事務，下圖是全局事務與分支事務的關系圖：
與 傳統2PC 的模型類似，Seata定義了3個元件來協定分布式事務的處理過程：
Transaction Coordinator (TC)： 事務協調器，它是獨立的中間件，需要獨立部署運作，它維護全局事務的運作狀态，接收TM指令發起全局事務的送出與復原，負責與RM通信協調各各分支事務的送出或復原。
Transaction Manager (TM)： 事務管理器，TM需要嵌入應用程式中工作，它負責開啟一個全局事務，并最終向TC發起全局送出或全局復原的指令。
Resource Manager (RM)： 控制分支事務，負責分支注冊、狀态彙報，并接收事務協調器TC的指令，驅動分支（本地）事務的送出和復原
還拿新使用者注冊送積分舉例Seata的分布式事務過程：
具體的執行流程如下：
1. 使用者服務的 TM 向 TC 申請開啟一個全局事務，全局事務建立成功并生成一個全局唯一的XID。
2. 使用者服務的 RM 向 TC 注冊 分支事務，該分支事務在使用者服務執行新增使用者邏輯，并将其納入 XID 對應全局事務的管轄。
3. 使用者服務執行分支事務，向使用者表插入一條記錄。
4. 邏輯執行到遠端調用積分服務時(XID 在微服務調用鍊路的上下文中傳播)。積分服務的RM 向 TC 注冊分支事務，該分支事務執行增加積分的邏輯，并将其納入 XID 對應全局事務的管轄。
5. 積分服務執行分支事務，向積分記錄表插入一條記錄，執行完畢後，傳回使用者服務。
6. 使用者服務分支事務執行完畢。
7. TM 向 TC 發起針對 XID 的全局送出或復原決議。
8. TC 排程 XID 下管轄的全部分支事務完成送出或復原請求。
Seata實作2PC與傳統2PC的差别：
架構層次方面，傳統2PC方案的 RM 實際上是在資料庫層，RM 本質上就是資料庫自身，通過 XA 協定實作，而Seata的 RM 是以jar包的形式作為中間件層部署在應用程式這一側的。
兩階段送出方面，傳統2PC無論第二階段的決議是commit還是rollback，事務性資源的鎖都要保持到Phase2完成才釋放。而Seata的做法是在Phase1 就将本地事務送出，這樣就可以省去Phase2持鎖的時間，整體提高效率。
3.3.seata實作2PC事務
3.3.1.業務說明
本示例通過Seata中間件實作分布式事務，模拟三個賬戶的轉賬交易過程。
兩個賬戶在三個不同的銀行(張三在bank1、李四在bank2)，bank1和bank2是兩個個微服務。交易過程是，張三給李四轉賬指定金額。
上述交易步驟，要麼一起成功，要麼一起失敗，必須是一個整體性的事務。
3.3.2.程式組成部分
本示例程式組成部分如下：
資料庫：MySQL-5.7.25,包括bank1和bank2兩個資料庫。
JDK：64位 jdk1.8.0_201
微服務架構：spring-boot-2.1.3、spring-cloud-Greenwich.RELEASE
seata用戶端（RM、TM）：spring-cloud-alibaba-seata-2.1.0.RELEASE
seata服務端(TC)：seata-server-0.7.1
微服務及資料庫的關系 ：dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank1 銀行1，操作張三賬戶， 連接配接資料庫bank1 dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank2 銀行2，操作李四賬戶，連接配接資料庫bank2
服務注冊中心：dtx/discover-server
本示例程式技術架構如下：
互動流程如下：
1、請求bank1進行轉賬，傳入轉賬金額。
2、bank1減少轉賬金額，調用bank2，傳入轉賬金額。
3.3.3.建立資料庫
導入資料庫腳本：資料\sql\bank1.sql、資料\sql\bank2.sql
包括如下資料庫：
bank1庫，包含張三賬戶
CREATE DATABASE `bank1` CHARACTER SET 'utf8' COLLATE 'utf8_general_ci';
DROP TABLE IF EXISTS `account_info`;
CREATE TABLE `account_info` (
`id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`account_name` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '戶主姓名',
`account_no` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '銀行卡号',
`account_password` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '帳戶密碼',
`account_balance` double NULL DEFAULT NULL COMMENT '帳戶餘額', PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT = 5 CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_bin ROW_FORMAT = Dynamic;
INSERT INTO `account_info` VALUES (2, '張三的賬戶', '1', '', 10000); bank2庫，包含李四賬戶
CREATE DATABASE `bank2` CHARACTER SET 'utf8' COLLATE 'utf8_general_ci';
CREATE TABLE `account_info` (
`id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`account_name` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '戶主姓名',
`account_no` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '銀行卡号',
`account_password` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '帳戶密碼',
`account_balance` double NULL DEFAULT NULL COMMENT '帳戶餘額', PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT = 5 CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_bin ROW_FORMAT = Dynamic;
INSERT INTO `account_info` VALUES (3, '李四的賬戶', '2', NULL, 0); 分别在bank1、bank2庫中建立undo_log表，此表為seata架構使用：
CREATE TABLE `undo_log` (
`id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`branch_id` bigint(20) NOT NULL,
`xid` varchar(100) NOT NULL,
`context` varchar(128) NOT NULL,
`rollback_info` longblob NOT NULL,
`log_status` int(11) NOT NULL,
`log_created` datetime NOT NULL,
`log_modified` datetime NOT NULL,
`ext` varchar(100) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `ux_undo_log` (`xid`,`branch_id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8; 3.3.4.啟動TC(事務協調器)
（1）下載下傳seata伺服器，下載下傳位址：https://github.com/seata/seata/releases/download/v0.7.1/seata-server-0.7.1.zip也可以直接解壓：資料\seata-server-0.7.1.zip
（2）解壓并啟動，[seata服務端解壓路徑]/bin/seata-server.bat -p 8888 -m file 注：其中8888為服務端口号；file為啟動模式，這裡指seata服務将采用檔案的方式存儲資訊。
如上圖出現“Server started...”的字樣則表示啟動成功。
3.3.5 discover-server
discover-server是服務注冊中心，測試工程将自己注冊至discover-server。
導入：資料\基礎代碼\dtx 父工程，此工程自帶了discover-server，discover-server基于Eureka實作。
3.3.6 導入案例工程dtx-seata-demo
dtx-seata-demo是seata的測試工程，根據業務需求需要建立兩個dtx-seata-demo工程。
（1）導入dtx-seata-demo 導入：資料\基礎代碼\dtx-seata-demo到父工程dtx下。
兩個測試工程如下：
dtx/dtx-seata-demo/dtx-seata-demo-bank1 ，操作張三賬戶，連接配接資料庫bank1
dtx/dtx-seata-demo/dtx-seata-demo-bank2 ，操作李四賬戶，連接配接資料庫bank2
（2）父工程maven依賴說明
在dtx父工程中指定了SpringBoot和SpringCloud版本
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring‐boot‐dependencies</artifactId>
<version>2.1.3.RELEASE</version>
<type>pom</type>
<scope>import</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.cloud</groupId>
<artifactId>spring‐cloud‐dependencies</artifactId>
<version>Greenwich.RELEASE</version>
<type>pom</type>
<scope>import</scope>
</dependency> 在dtx-seata-demo父工程中指定了spring-cloud-alibaba-dependencies的版本。
<dependency>
<groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
<artifactId>spring‐cloud‐alibaba‐dependencies</artifactId>
<version>2.1.0.RELEASE</version>
<type>pom</type>
<scope>import</scope>
</dependency> （3）配置seata
在src/main/resource中，新增registry.conf、file.conf檔案，内容可拷貝seata-server-0.7.1中的配置檔案子。
在registry.conf中registry.type使用file：
在file.conf中更改service.vgroup_mapping.[springcloud服務名]-fescar-service-group = "default"，并修改 service.default.grouplist =[seata服務端位址]
關于vgroup_mapping的配置：
vgroup_mapping.事務分組服務名=Seata Server叢集名稱（預設名稱為default）
default.grouplist = Seata Server叢集位址
在 org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-alibaba-seata 的org.springframework.cloud.alibaba.seata.GlobalTransactionAutoConfiguration 類中，預設會使用
${spring.application.name}-fescar-service-group 作為事務分組服務名注冊到 Seata Server上，如果和 file.conf 中的配置不一緻，會提示 no available server to connect 錯誤
也可以通過配置 spring.cloud.alibaba.seata.tx-service-group 修改字尾，但是必須和 file.conf 中的配置保持一緻。
（4）建立代理資料源
新增DatabaseConfiguration.java，Seata的RM通過DataSourceProxy才能在業務代碼的事務送出時，通過這個切入點，與TC進行通信互動、記錄undo_log等。
@Configuration
public class DatabaseConfiguration {
@Bean
@ConfigurationProperties(prefix = "spring.datasource.ds0")
public DruidDataSource ds0() {
DruidDataSource druidDataSource = new DruidDataSource();
return druidDataSource;
}
@Primary
@Bean
public DataSource dataSource(DruidDataSource ds0) {
DataSourceProxy pds0 = new DataSourceProxy(ds0);
return pds0;
}
}
3.3.7 Seata執行流程
1、正常送出流程
2、復原流程
復原流程省略前的RM注冊過程。
要點說明：
1、每個RM使用DataSourceProxy連接配接資料庫，其目的是使用ConnectionProxy，使用資料源和資料連接配接代理的目的就是在第一階段将undo_log和業務資料放在一個本地事務送出，這樣就儲存了隻要有業務操作就一定有undo_log。
2、在第一階段undo_log中存放了資料修改前和修改後的值，為事務復原作好準備，是以第一階段完成就已經将分支事務送出，也就釋放了鎖資源。
3、TM開啟全局事務開始，将XID全局事務id放在事務上下文中，通過feign調用也将XID傳入下遊分支事務，每個分支事務将自己的Branch ID分支事務ID與XID關聯。
4、第二階段全局事務送出，TC會通知各各分支參與者送出分支事務，在第一階段就已經送出了分支事務，這裡各各參與者隻需要删除undo_log即可，并且可以異步執行，第二階段很快可以完成。
5、第二階段全局事務復原，TC會通知各各分支參與者復原分支事務，通過 XID 和 Branch ID 找到相應的復原日志，通過復原日志生成反向的 SQL 并執行，以完成分支事務復原到之前的狀态，如果復原失敗則會重試復原操作。
3.3.8 dtx-seata-demo-bank1
dtx-seata-demo-bank1實作如下功能：
1、張三賬戶減少金額，開啟全局事務。
2、遠端調用bank2向李四轉賬。
（1）DAO
@Mapper
@Component
public interface AccountInfoDao {
//更新賬戶金額
@Update("update account_info set account_balance = account_balance + #{amount} where account_no = #{accountNo}")
int updateAccountBalance(@Param("accountNo") String accountNo, @Param("amount") Double amount);
} （2）FeignClient
遠端調用bank2的用戶端
@FeignClient(value = "seata‐demo‐bank2",fallback = Bank2ClientFallback.class)
public interface Bank2Client {
@GetMapping("/bank2/transfer")
String transfer(@RequestParam("amount") Double amount);
} @Component
public class Bank2ClientFallback implements Bank2Client{ @Override
public String transfer(Double amount) {
return "fallback";
}
} （3）Service
@Service
public class AccountInfoServiceImpl implements AccountInfoService {
private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AccountInfoServiceImpl.class);
@Autowired
AccountInfoDao accountInfoDao;
@Autowired
Bank2Client bank2Client;
//張三轉賬
@Override
@GlobalTransactional
@Transactional
public void updateAccountBalance(String accountNo, Double amount) {
logger.info("******** Bank1 Service Begin ... xid: {}" , RootContext.getXID());
//張三扣減金額
accountInfoDao.updateAccountBalance(accountNo,amount*‐1);
//向李四轉賬
String remoteRst = bank2Client.transfer(amount);
//遠端調用失敗
if(remoteRst.equals("fallback")){
throw new RuntimeException("bank1 下遊服務異常");
}
//人為制造錯誤
if(amount==3){
throw new RuntimeException("bank1 make exception 3");
}
}
} 将@GlobalTransactional注解标注在全局事務發起的Service實作方法上，開啟全局事務：
GlobalTransactionalInterceptor會攔截@GlobalTransactional注解的方法，生成全局事務ID(XID)，XID會在整個分布式事務中傳遞。
在遠端調用時，spring-cloud-alibaba-seata會攔截Feign調用将XID傳遞到下遊服務。
（6）Controller
@RestController
public class Bank1Controller {
@Autowired
AccountInfoService accountInfoService;
//轉賬
@GetMapping("/transfer")
public String transfer(Double amount){
accountInfoService.updateAccountBalance("1",amount);
return "bank1"+amount;
}
} 3.3.9 dtx-seata-demo-bank2
dtx-seata-demo-bank2實作如下功能：
1、李四賬戶增加金額。
dtx-seata-demo-bank2在本賬号事務中作為分支事務不使用@GlobalTransactional。
@Mapper
@Component
public interface AccountInfoDao {
//向李四轉賬
@Update("UPDATE account_info SET account_balance = account_balance + #{amount} WHERE account_no = #{accountNo}")
int updateAccountBalance(@Param("accountNo") String accountNo, @Param("amount") Double amount);
} （2）Service
@Service
public class AccountInfoServiceImpl implements AccountInfoService {
private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AccountInfoServiceImpl.class);
@Autowired
AccountInfoDao accountInfoDao;
@Override
@Transactional
public void updateAccountBalance(String accountNo, Double amount) {
logger.info("******** Bank2 Service Begin ... xid: {}" , RootContext.getXID());
//李四增加金額
accountInfoDao.updateAccountBalance(accountNo,amount);
//制造異常
if(amount==2){
throw new RuntimeException("bank1 make exception 2");
}
}
} （3）Controller
@RestController
public class Bank2Controller {
@Autowired
AccountInfoService accountInfoService;
@GetMapping("/transfer")
public String transfer(Double amount){
accountInfoService.updateAccountBalance("2",amount);
return "bank2"+amount;
}
} 3.3.10 測試場景
張三向李四轉賬成功。
李四事務失敗，張三事務復原成功。
張三事務失敗，李四事務復原成功。
分支事務逾時測試。
3.4.小結
本節講解了傳統2PC（基于資料庫XA協定）和Seata實作2PC的兩種2PC方案，由于Seata的0侵入性并且解決了傳統2PC長期鎖資源的問題，是以推薦采用Seata實作2PC。
Seata實作2PC要點：
1、全局事務開始使用 @GlobalTransactional辨別 。
2、每個本地事務方案仍然使用@Transactional辨別。
3、每個資料都需要建立undo_log表，此表是seata保證本地事務一緻性的關鍵。