（二）分布式事务解决方案之2PC(两阶段提交)

1.什么是2PC

2PC即两阶段提交协议，是将整个事务流程分为两个阶段，准备阶段（Prepare phase）、提交阶段（commitphase），2是指两个阶段，P是指准备阶段，C是指提交阶段。
举例：张三和李四好久不见，老友约起聚餐，饭店老板要求先买单，才能出票。这时张三和李四分别抱怨近况不如意，囊中羞涩，都不愿意请客，这时只能AA。只有张三和李四都付款，老板才能出票安排就餐。但由于张三和李四都是铁公鸡，形成了尴尬的一幕：
准备阶段：老板要求张三付款，张三付款。老板要求李四付款，李四付款。
提交阶段：老板出票，两人拿票纷纷落座就餐。
例子中形成了一个事务，若张三或李四其中一人拒绝付款，或钱不够，店老板都不会给出票，并且会把已收款退回。

整个事务过程由事务管理器和参与者组成，店老板就是事务管理器，张三、李四就是事务参与者，事务管理器负责决策整个分布式事务的提交和回滚，事务参与者负责自己本地事务的提交和回滚。

在计算机中部分关系数据库如Oracle、MySQL支持两阶段提交协议，如下图：

    1. 准备阶段（Prepare phase）：事务管理器给每个参与者发送Prepare消息，每个数据库参与者在本地执行事务，并写本地的Undo/Redo日志，此时事务没有提交。（Undo日志是记录修改前的数据，用于数据库回滚，Redo日志是记录修改后的数据，用于提交事务后写入数据文件）
    1. 提交阶段（commit phase）：如果事务管理器收到了参与者的执行失败或者超时消息时，直接给每个参与者发送回滚(Rollback)消息；否则，发送提交(Commit)消息；参与者根据事务管理器的指令执行提交或者回滚操作，并释放事务处理过程中使用的锁资源。注意:必须在最后阶段释放锁资源。

下图展示了2PC的两个阶段，分成功和失败两个情况说明：
成功情况：

失败情况：

2.解决方案

2.1 XA方案

2PC的传统方案是在数据库层面实现的，如Oracle、MySQL都支持2PC协议，为了统一标准减少行业内不必要的对接成本，需要制定标准化的处理模型及接口标准，国际开放标准组织Open Group定义了分布式事务处理模型DTP（Distributed Transaction Processing Reference Model）。

为了让大家更明确XA方案的内容程，下面新用户注册送积分为例来说明：

执行流程如下：
1、应用程序（AP）持有用户库和积分库两个数据源。
2、应用程序（AP）通过TM通知用户库RM新增用户，同时通知积分库RM为该用户新增积分，RM此时并未提交事务，此时用户和积分资源锁定。
3、TM收到执行回复，只要有一方失败则分别向其他RM发起回滚事务，回滚完毕，资源锁释放。
4、TM收到执行回复，全部成功，此时向所有RM发起提交事务，提交完毕，资源锁释放。
DTP模型定义如下角色：

  • AP(Application Program)：即应用程序，可以理解为使用DTP分布式事务的程序。
  • RM(Resource Manager)：即资源管理器，可以理解为事务的参与者，一般情况下是指一个数据库实例，通过资源管理器对该数据库进行控制，资源管理器控制着分支事务。
  • TM(Transaction Manager)：事务管理器，负责协调和管理事务，事务管理器控制着全局事务，管理事务生命周期，并协调各个RM。全局事务是指分布式事务处理环境中，需要操作多个数据库共同完成一个工作，这个工作即是一个全局事务。
  • DTP模型定义TM和RM之间通讯的接口规范叫XA，简单理解为数据库提供的2PC接口协议，基于数据库的XA协议来实现2PC又称为XA方案。
    以上三个角色之间的交互方式如下：
    • 1）TM向AP提供 应用程序编程接口，AP通过TM提交及回滚事务。
    • 2）TM交易中间件通过XA接口来通知RM数据库事务的开始、结束以及提交、回滚等。

总结：
整个2PC的事务流程涉及到三个角色AP、RM、TM。AP指的是使用2PC分布式事务的应用程序；RM指的是资源管理器，它控制着分支事务；TM指的是事务管理器，它控制着整个全局事务。

1）在准备阶段RM执行实际的业务操作，但不提交事务，资源锁定；
2）在提交阶段TM会接受RM在准备阶段的执行回复，只要有任一个RM执行失败，TM会通知所有RM执行回滚操作，否则，TM将会通知所有RM提交该事务。提交阶段结束资源锁释放。

XA方案的问题：

  • 1、需要本地数据库支持XA协议。
  • 2、资源锁需要等到两个阶段结束才释放，性能较差。

2.2 Seata方案

Seata是由阿里中间件团队发起的开源项目 Fescar，后更名为Seata，它是一个是开源的分布式事务框架。
传统2PC的问题在Seata中得到了解决，它通过对本地关系数据库的分支事务的协调来驱动完成全局事务，是工作在应用层的中间件。主要优点是性能较好，且不长时间占用连接资源，它以高效并且对业务0侵入的方式解决微服务场景下面临的分布式事务问题，它目前提供AT模式(即2PC)及TCC模式的分布式事务解决方案。

Seata的设计思想如下：
Seata的设计目标其一是对业务无侵入，因此从业务无侵入的2PC方案着手，在传统2PC的基础上演进，并解决2PC方案面临的问题。
Seata把一个分布式事务理解成一个包含了若干分支事务的全局事务。全局事务的职责是协调其下管辖的分支事务达成一致，要么一起成功提交，要么一起失败回滚。此外，通常分支事务本身就是一个关系数据库的本地事务，下图是全局事务与分支事务的关系图：

与 传统2PC 的模型类似，Seata定义了3个组件来协议分布式事务的处理过程：

  • Transaction Coordinator (TC)： 事务协调器，它是独立的中间件，需要独立部署运行，它维护全局事务的运行状态，接收TM指令发起全局事务的提交与回滚，负责与RM通信协调各各分支事务的提交或回滚。
  • Transaction Manager (TM)： 事务管理器，TM需要嵌入应用程序中工作，它负责开启一个全局事务，并最终向TC发起全局提交或全局回滚的指令。
  • Resource Manager (RM)： 控制分支事务，负责分支注册、状态汇报，并接收事务协调器TC的指令，驱动分支（本地）事务的提交和回滚。

还拿新用户注册送积分举例Seata的分布式事务过程：

具体的执行流程如下：

    1. 用户服务的 TM 向 TC 申请开启一个全局事务，全局事务创建成功并生成一个全局唯一的XID。
    1. 用户服务的 RM 向 TC 注册 分支事务，该分支事务在用户服务执行新增用户逻辑，并将其纳入 XID 对应全局事务的管辖。
    1. 用户服务执行分支事务，向用户表插入一条记录。
    1. 逻辑执行到远程调用积分服务时(XID 在微服务调用链路的上下文中传播)。积分服务的RM 向 TC 注册分支事务，该分支事务执行增加积分的逻辑，并将其纳入 XID 对应全局事务的管辖。
    1. 积分服务执行分支事务，向积分记录表插入一条记录，执行完毕后，返回用户服务。
    1. 用户服务分支事务执行完毕。
    1. TM 向 TC 发起针对 XID 的全局提交或回滚决议。
    1. TC 调度 XID 下管辖的全部分支事务完成提交或回滚请求。

Seata实现2PC与传统2PC的差别：

  • 架构层次方面，传统2PC方案的 RM 实际上是在数据库层，RM 本质上就是数据库自身，通过 XA 协议实现，而Seata的 RM 是以jar包的形式作为中间件层部署在应用程序这一侧的。
  • 两阶段提交方面，传统2PC无论第二阶段的决议是commit还是rollback，事务性资源的锁都要保持到Phase2完成才释放。而Seata的做法是在Phase1 就将本地事务提交，这样就可以省去Phase2持锁的时间，整体提高效率。

3.seata实现2PC事务

3.1.业务说明

本示例通过Seata中间件实现分布式事务，模拟三个账户的转账交易过程。
两个账户在三个不同的银行(张三在bank1、李四在bank2)，bank1和bank2是两个个微服务。交易过程是，张三给李四转账指定金额。
上述交易步骤，要么一起成功，要么一起失败，必须是一个整体性的事务。

3.2.程序组成部分

本示例程序组成部分如下：
数据库：MySQL-5.7.25
包括bank1和bank2两个数据库。
JDK：64位 jdk1.8.0_201
微服务框架：spring-boot-2.1.3、spring-cloud-Greenwich.RELEASE
seata客户端（RM、TM）：spring-cloud-alibaba-seata-2.1.0.RELEASE
seata服务端(TC)：seata-server-0.7.1
微服务及数据库的关系 ：
dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank1 银行1，操作张三账户， 连接数据库bank1
dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank2 银行2，操作李四账户，连接数据库bank2
服务注册中心：dtx/discover-server

本示例程序技术架构如下：

交互流程如下：
1、请求bank1进行转账，传入转账金额。
2、bank1减少转账金额，调用bank2，传入转账金额。

3.3.创建数据库

导入数据库脚本：资料\sql\bank1.sql、资料\sql\bank2.sql
包括如下数据库：
bank1库，包含张三账户

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 '户
主姓名',
  `account_no` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '银行
卡号',
  `account_password` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT
'帐户密码',
  `account_balance` double NULL DEFAULT NULL COMMENT '帐户余额',
  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, '张三的账户', '1', '', 10000);

bank2库，包含李四账户

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 '户
主姓名',
  `account_no` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT '银行
卡号',
  `account_password` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NULL DEFAULT NULL COMMENT
'帐户密码',
  `account_balance` double NULL DEFAULT NULL COMMENT '帐户余额',
  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, '李四的账户', '2', NULL, 0);

分别在bank1、bank2库中创建undo_log表，此表为seata框架使用：

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;

3.4.启动TC(事务协调器)

（1）下载seata服务器
下载地址：https://github.com/seata/seata/releases/download/v0.7.1/seata-server-0.7.1.zip
也可以直接解压：资料\seata-server-0.7.1.zip

（2）解压并启动
[seata服务端解压路径]/bin/seata-server.bat -p 8888 -m file
注：其中8888为服务端口号；file为启动模式，这里指seata服务将采用文件的方式存储信息。

如上图出现“Server started...”的字样则表示启动成功。

3.5 discover-server

discover-server是服务注册中心，测试工程将自己注册至discover-server。
导入：资料\基础代码\dtx 父工程，此工程自带了discover-server，discover-server基于Eureka实现。

3.6 导入案例工程dtx-seata-demo

dtx-seata-demo是seata的测试工程，根据业务需求需要创建两个dtx-seata-demo工程。
（1）导入dtx-seata-demo
导入：资料\基础代码\dtx-seata-demo到父工程dtx下。
两个测试工程如下：
dtx/dtx-seata-demo/dtx-seata-demo-bank1 ，操作张三账户，连接数据库bank1
dtx/dtx-seata-demo/dtx-seata-demo-bank2 ，操作李四账户，连接数据库bank2
（2）父工程maven依赖说明
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文件，内容可拷贝seata-server-0.7.1中的配置文件子。
在registry.conf中registry.type使用file：

在file.conf中更改service.vgroup_mapping.[springcloud服务名]-fescar-service-group = "default"，并修改service.default.grouplist =[seata服务端地址]

关于vgroup_mapping的配置：
vgroup_mapping.事务分组服务名=Seata Server集群名称（默认名称为default）
default.grouplist = Seata Server集群地址

在 org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-alibaba-seata 的org.springframework.cloud.alibaba.seata.GlobalTransactionAutoConfiguration 类中，默认会使用${spring.application.name}-fescar-service-group 作为事务分组服务名注册到 Seata Server上，如果和file.conf 中的配置不一致，会提示 no available server to connect 错误
也可以通过配置 spring.cloud.alibaba.seata.tx-service-group 修改后缀，但是必须和 file.conf 中的配置保持
一致。

（4）创建代理数据源
新增DatabaseConfiguration.java，Seata的RM通过DataSourceProxy才能在业务代码的事务提交时，通过这个切入点，与TC进行通信交互、记录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;
    }
}

3.7 Seata执行流程

1、正常提交流程

2、回滚流程
回滚流程省略前的RM注册过程。

要点说明：

  • 1、每个RM使用DataSourceProxy连接数据库，其目的是使用ConnectionProxy，使用数据源和数据连接代理的目的就是在第一阶段将undo_log和业务数据放在一个本地事务提交，这样就保存了只要有业务操作就一定有undo_log。
  • 2、在第一阶段undo_log中存放了数据修改前和修改后的值，为事务回滚作好准备，所以第一阶段完成就已经将分支事务提交，也就释放了锁资源。
  • 3、TM开启全局事务开始，将XID全局事务id放在事务上下文中，通过feign调用也将XID传入下游分支事务，每个分支事务将自己的Branch ID分支事务ID与XID关联。
  • 4、第二阶段全局事务提交，TC会通知各各分支参与者提交分支事务，在第一阶段就已经提交了分支事务，这里各各参与者只需要删除undo_log即可，并且可以异步执行，第二阶段很快可以完成。
  • 5、第二阶段全局事务回滚，TC会通知各各分支参与者回滚分支事务，通过 XID 和 Branch ID 找到相应的回滚日志，通过回滚日志生成反向的 SQL 并执行，以完成分支事务回滚到之前的状态，如果回滚失败则会重试回滚操作。

3.8 dtx-seata-demo-bank1

dtx-seata-demo-bank1实现如下功能：
1、张三账户减少金额，开启全局事务。
2、远程调用bank2向李四转账。
（1）DAO

@Mapper
@Component
public interface AccountInfoDao {
    //更新账户金额
    @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
远程调用bank2的客户端

@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;
//张三转账    
    @Override
    @GlobalTransactional
    @Transactional
    public void updateAccountBalance(String accountNo, Double amount) {
        logger.info("******** Bank1 Service Begin ... xid: {}" , RootContext.getXID());
        //张三扣减金额
        accountInfoDao.updateAccountBalance(accountNo,amount*‐1);
        //向李四转账
        String remoteRst = bank2Client.transfer(amount);
        //远程调用失败
        if(remoteRst.equals("fallback")){
            throw new RuntimeException("bank1 下游服务异常");
        }
        //人为制造错误
        if(amount==3){
            throw new RuntimeException("bank1 make exception  3");
        }
    }
}

将@GlobalTransactional注解标注在全局事务发起的Service实现方法上，开启全局事务：
GlobalTransactionalInterceptor会拦截@GlobalTransactional注解的方法，生成全局事务ID(XID)，XID会在整个分布式事务中传递。
在远程调用时，spring-cloud-alibaba-seata会拦截Feign调用将XID传递到下游服务。
（4）Controller

@RestController
public class Bank1Controller {
    @Autowired
    AccountInfoService accountInfoService;
    //转账
    @GetMapping("/transfer")
    public String transfer(Double amount){
        accountInfoService.updateAccountBalance("1",amount);
        return "bank1"+amount;
    }
}

3.9 dtx-seata-demo-bank2

dtx-seata-demo-bank2实现如下功能：
1、李四账户增加金额。
dtx-seata-demo-bank2在本账号事务中作为分支事务不使用@GlobalTransactional。
（1）DAO

@Mapper
@Component
public interface AccountInfoDao {
    //向李四转账
    @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());
        //李四增加金额
        accountInfoDao.updateAccountBalance(accountNo,amount);
        //制造异常
        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;
    }
}

3.10 测试场景

  • 张三向李四转账成功。
  • 李四事务失败，张三事务回滚成功。
  • 张三事务失败，李四事务回滚成功。
  • 分支事务超时测试

4.小结

本节讲解了传统2PC（基于数据库XA协议）和Seata实现2PC的两种2PC方案，由于Seata的0侵入性并且解决了传统2PC长期锁资源的问题，所以推荐采用Seata实现2PC。
Seata实现2PC要点：

  • 1、全局事务开始使用 @GlobalTransactional标识 。
  • 2、每个本地事务方案仍然使用@Transactional标识。
  • 3、每个数据都需要创建undo_log表，此表是seata保证本地事务一致性的关键。

完整代码：https://gitee.com/everyingo/dtx-demos

posted on 2021-03-31 18:34  whn051799  阅读(1032)  评论(0)  编辑  收藏  举报
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