分布式学习笔记八：漫画什么是分布式事务？

淩亂°似流年 2022-05-16 14:42 303阅读 0赞

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不知道你是否遇到过这样的情况，去小卖铺买东西，付了钱，但是店主因为处理了一些其他事，居然忘记你付了钱，又叫你重新付。又或者在网上购物明明已经扣款，但是却告诉我没有发生交易。这一系列情况都是因为没有事务导致的。这说明了事务在生活中的一些重要性。有了事务，你去小卖铺买东西，那就是一手交钱一手交货。有了事务，你去网上购物，扣款即产生订单交易。

事务的具体定义

事务提供一种机制将一个活动涉及的所有操作纳入到一个不可分割的执行单元，组成事务的所有操作只有在所有操作均能正常执行的情况下方能提交，只要其中任一操作执行失败，都将导致整个事务的回滚。

简单地说，事务提供一种“要么什么都不做，要么做全套（All or Nothing）”机制。

数据库本地事务

**ACID**

说到数据库事务就不得不说，数据库事务中的四大特性 ACID：

**A：原子性(Atomicity)，**一个事务(transaction)中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成，不会结束在中间某个环节。

事务在执行过程中发生错误，会被回滚（Rollback）到事务开始前的状态，就像这个事务从来没有执行过一样。

就像你买东西要么交钱收货一起都执行，要么发不出货，就退钱。

**C：一致性(Consistency)，**事务的一致性指的是在一个事务执行之前和执行之后数据库都必须处于一致性状态。

如果事务成功地完成，那么系统中所有变化将正确地应用，系统处于有效状态。

如果在事务中出现错误，那么系统中的所有变化将自动地回滚，系统返回到原始状态。

**I：隔离性(Isolation)，**指的是在并发环境中，当不同的事务同时操纵相同的数据时，每个事务都有各自的完整数据空间。

由并发事务所做的修改必须与任何其他并发事务所做的修改隔离。事务查看数据更新时，数据所处的状态要么是另一事务修改它之前的状态，要么是另一事务修改它之后的状态，事务不会查看到中间状态的数据。

打个比方，你买东西这个事情，是不影响其他人的。

**D：持久性(Durability)，**指的是只要事务成功结束，它对数据库所做的更新就必须永久保存下来。

即使发生系统崩溃，重新启动数据库系统后，数据库还能恢复到事务成功结束时的状态。

打个比方，你买东西的时候需要记录在账本上，即使老板忘记了那也有据可查。

**InnoDB 实现原理**

InnoDB 是 MySQL 的一个存储引擎，大部分人对 MySQL 都比较熟悉，这里简单介绍一下数据库事务实现的一些基本原理。

在本地事务中，服务和资源在事务的包裹下可以看做是一体的，如下图：

![Image 1][]

我们的本地事务由资源管理器进行管理：

![Image 1][]

而事务的 ACID 是通过 InnoDB 日志和锁来保证。事务的隔离性是通过数据库锁的机制实现的，持久性通过 Redo Log（重做日志）来实现，原子性和一致性通过 Undo Log 来实现。

Undo Log 的原理很简单，为了满足事务的原子性，在操作任何数据之前，首先将数据备份到一个地方（这个存储数据备份的地方称为 Undo Log）。然后进行数据的修改。

如果出现了错误或者用户执行了 Rollback 语句，系统可以利用 Undo Log 中的备份将数据恢复到事务开始之前的状态。

和 Undo Log 相反，Redo Log 记录的是新数据的备份。在事务提交前，只要将 Redo Log 持久化即可，不需要将数据持久化。

当系统崩溃时，虽然数据没有持久化，但是 Redo Log 已经持久化。系统可以根据 Redo Log 的内容，将所有数据恢复到最新的状态。对具体实现过程有兴趣的同学可以去自行搜索扩展。

分布式事务

**什么是分布式事务**

分布式事务指事务的参与者、支持事务的服务器、资源服务器以及事务管理器分别位于不同的分布式系统的不同节点之上。

简单的说，就是一次大的操作由不同的小操作组成，这些小的操作分布在不同的服务器上，且属于不同的应用，分布式事务需要保证这些小操作要么全部成功，要么全部失败。

本质上来说，分布式事务就是为了保证不同数据库的数据一致性。

**分布式事务产生的原因**

从上面本地事务来看，我们可以分为两块：

**Service 多个节点**

**Service 产生多个节点**

**Resource 产生多个节点**

随着互联网快速发展，微服务，SOA 等服务架构模式正在被大规模的使用。

举个简单的例子，一个公司之内，用户的资产可能分为好多个部分，比如余额，积分，优惠券等等。

在公司内部有可能积分功能由一个微服务团队维护，优惠券又是另外的团队维护。

![Image 1][]

这样的话就无法保证积分扣减了之后，优惠券能否扣减成功。

**Resource多个节点**

同样的，互联网发展得太快了，我们的 MySQL 一般来说装千万级的数据就得进行分库分表。

对于一个支付宝的转账业务来说，你给朋友转钱，有可能你的数据库是在北京，而你的朋友的钱是存在上海，所以我们依然无法保证他们能同时成功。

![Image 1][]

**分布式事务的基础**

从上面来看分布式事务是随着互联网高速发展应运而生的，这是一个必然。

我们之前说过数据库的 ACID 四大特性，已经无法满足我们分布式事务，这个时候又有一些新的大佬提出一些新的理论。

**CAP**

CAP 定理，又被叫作布鲁尔定理。对于设计分布式系统(不仅仅是分布式事务)的架构师来说，CAP 就是你的入门理论。

**C (一致性)：**对某个指定的客户端来说，读操作能返回最新的写操作。

对于数据分布在不同节点上的数据来说，如果在某个节点更新了数据，那么在其他节点如果都能读取到这个最新的数据，那么就称为强一致，如果有某个节点没有读取到，那就是分布式不一致。

**A (可用性)：**非故障的节点在合理的时间内返回合理的响应(不是错误和超时的响应)。可用性的两个关键一个是合理的时间，一个是合理的响应。

合理的时间指的是请求不能无限被阻塞，应该在合理的时间给出返回。合理的响应指的是系统应该明确返回结果并且结果是正确的，这里的正确指的是比如应该返回 50，而不是返回 40。

**P (分区容错性)：**当出现网络分区后，系统能够继续工作。打个比方，这里集群有多台机器，有台机器网络出现了问题，但是这个集群仍然可以正常工作。

熟悉 CAP 的人都知道，三者不能共有，如果感兴趣可以搜索 CAP 的证明，在分布式系统中，网络无法 100% 可靠，分区其实是一个必然现象。

如果我们选择了 CA 而放弃了 P，那么当发生分区现象时，为了保证一致性，这个时候必须拒绝请求，但是 A 又不允许，所以分布式系统理论上不可能选择 CA 架构，只能选择 CP 或者 AP 架构。

对于 CP 来说，放弃可用性，追求一致性和分区容错性，我们的 ZooKeeper 其实就是追求的强一致。

对于 AP 来说，放弃一致性(这里说的一致性是强一致性)，追求分区容错性和可用性，这是很多分布式系统设计时的选择，后面的 BASE 也是根据 AP 来扩展。

顺便一提，CAP 理论中是忽略网络延迟，也就是当事务提交时，从节点 A 复制到节点 B 没有延迟，但是在现实中这个是明显不可能的，所以总会有一定的时间是不一致。

同时 CAP 中选择两个，比如你选择了 CP，并不是叫你放弃 A。因为 P 出现的概率实在是太小了，大部分的时间你仍然需要保证 CA。

就算分区出现了你也要为后来的 A 做准备，比如通过一些日志的手段，是其他机器回复至可用。

**BASE**

BASE 是 Basically Available(基本可用)、Soft state(软状态)和 Eventually consistent (最终一致性)三个短语的缩写，是对 CAP 中 AP 的一个扩展。

**基本可用：**分布式系统在出现故障时，允许损失部分可用功能，保证核心功能可用。

**软状态：**允许系统中存在中间状态，这个状态不影响系统可用性，这里指的是 CAP 中的不一致。

**最终一致：**最终一致是指经过一段时间后，所有节点数据都将会达到一致。

BASE 解决了 CAP 中理论没有网络延迟，在 BASE 中用软状态和最终一致，保证了延迟后的一致性。

BASE 和 ACID 是相反的，它完全不同于 ACID 的强一致性模型，而是通过牺牲强一致性来获得可用性，并允许数据在一段时间内是不一致的，但最终达到一致状态。

假如没有分布式事务

在一系列微服务系统当中，假如不存在分布式事务，会发生什么呢？让我们以互联网中常用的交易业务为例子：

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上图中包含了库存和订单两个独立的微服务，每个微服务维护了自己的数据库。在交易系统的业务逻辑中，一个商品在下单之前需要先调用库存服务，进行扣除库存，再调用订单服务，创建订单记录。

正常情况下，两个数据库各自更新成功，两边数据维持着一致性。

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但是，在非正常情况下，有可能库存的扣减完成了，随后的订单记录却因为某些原因插入失败。这个时候，两边数据就失去了应有的一致性。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6Y251b251bw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

什么是分布式事务？

分布式事务用于在分布式系统中保证不同节点之间的数据一致性。分布式事务的实现有很多种，最具有代表性的是由Oracle Tuxedo系统提出的XA分布式事务协议。

XA协议包含两阶段提交（2PC）和三阶段提交（3PC）两种实现，这里我们重点介绍两阶段提交的具体过程。

在魔兽世界这款游戏中，副本组团打BOSS的时候，为了更方便队长与队员们之间的协作，队长可以发起一个“就位确认”的操作：

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当队员收到就位确认提示后，如果已经就位，就选择“是”，如果还没就位，就选择“否”。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6Y251b251bw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]  
当队长收到了所有人的就位确认，就会向所有队员们发布消息，告诉他们开始打BOSS。

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相应的，在队长发起就位确认的时候，有可能某些队员还并没有就位：

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![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6Y251b251bw_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]  
以上就是魔兽世界当中组团打BOSS的确认流程。这个流程和XA分布式事务协议的两阶段提交非常相似。

那么XA协议究竟是什么样子呢？在XA协议中包含着两个角色：事务协调者和事务参与者。让我们来看一看他们之间的交互流程：

第一阶段：

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在XA分布式事务的第一阶段，作为事务协调者的节点会首先向所有的参与者节点发送Prepare请求。

在接到Prepare请求之后，每一个参与者节点会各自执行与事务有关的数据更新，写入Undo Log和Redo Log。如果参与者执行成功，暂时不提交事务，而是向事务协调节点返回“完成”消息。

当事务协调者接到了所有参与者的返回消息，整个分布式事务将会进入第二阶段。

第二阶段：

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在XA分布式事务的第二阶段，如果事务协调节点在之前所收到都是正向返回，那么它将会向所有事务参与者发出Commit请求。

接到Commit请求之后，事务参与者节点会各自进行本地的事务提交，并释放锁资源。当本地事务完成提交后，将会向事务协调者返回“完成”消息。

当事务协调者接收到所有事务参与者的“完成”反馈，整个分布式事务完成。

以上所描述的是XA两阶段提交的正向流程，接下来我们看一看失败情况的处理流程：

第一阶段：

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第二阶段：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6Y251b251bw_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]  
在XA的第一阶段，如果某个事务参与者反馈失败消息，说明该节点的本地事务执行不成功，必须回滚。

于是在第二阶段，事务协调节点向所有的事务参与者发送Abort请求。接收到Abort请求之后，各个事务参与者节点需要在本地进行事务的回滚操作，回滚操作依照Undo Log来进行。

以上就是XA两阶段提交协议的详细过程。

XA两阶段提交的不足

XA两阶段提交究竟有哪些不足呢？

1.性能问题

XA协议遵循强一致性。在事务执行过程中，各个节点占用着数据库资源，只有当所有节点准备完毕，事务协调者才会通知提交，参与者提交后释放资源。这样的过程有着非常明显的性能问题。

2.协调者单点故障问题

事务协调者是整个XA模型的核心，一旦事务协调者节点挂掉，参与者收不到提交或是回滚通知，参与者会一直处于中间状态无法完成事务。

3.丢失消息导致的不一致问题。

在XA协议的第二个阶段，如果发生局部网络问题，一部分事务参与者收到了提交消息，另一部分事务参与者没收到提交消息，那么就导致了节点之间数据的不一致。

如果避免XA两阶段提交的种种问题呢？有许多其他的分布式事务方案可供选择：

1.XA三阶段提交

XA三阶段提交在两阶段提交的基础上增加了CanCommit阶段，并且引入了超时机制。一旦事物参与者迟迟没有接到协调者的commit请求，会自动进行本地commit。这样有效解决了协调者单点故障的问题。但是性能问题和不一致的问题仍然没有根本解决。

2.MQ事务

利用消息中间件来异步完成事务的后一半更新，实现系统的最终一致性。这个方式避免了像XA协议那样的性能问题。

3.TCC事务

TCC事务是Try、Commit、Cancel三种指令的缩写，其逻辑模式类似于XA两阶段提交，但是实现方式是在代码层面来人为实现。

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作者：玻璃猫   
来源：CSDN   
原文：https://blog.csdn.net/bjweimengshu/article/details/79607522   
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