seata实现2pc分布式事务控制-分布式事务教程02

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3.分布式事务解决方案之2PC(两阶段提交)

​ 前面已经学习了分布式事务的基础理论,以理论为基础,针对不同的分布式场景业界常见的解决方案有2PC、TCC、可靠消息最终一致性、最大努力通知这几种。

3.1.什么是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(commit phase),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:

1563273133485

​ 失败情况:

1563273116807

3.2.解决方案

3.2.1 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:

1563261780596

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。

3.2.2 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:

1563023868995

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:

1563023902261

  • 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 ™: 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:

1563324566941

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。
  2. 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。
  3. 用户服务执行分支事务,向用户表插入一条记录。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 用户服务分支事务执行完毕。
  7. TM 向 TC 发起针对 XID 的全局提交或回滚决议。
  8. 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。

3.3.seata实现2PC事务

3.3.1.业务说明

​ 本示例通过Seata中间件实现分布式事务,模拟两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。

1565484976052

3.3.2.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:

1565485843858

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。

3.3.3.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;

3.3.4.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。

1563025091140

如上图出现“Server started…”的字样则表示启动成功。

3.3.5 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。

3.3.6 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:1563025998188

​ 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]

1563026127512

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

org.springframework.cloud:spring-cloud-starter-alibaba-seataorg.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;
    }

}

3.3.7 Seata执行流程

1、正常提交流程

1565825008303

2、回滚流程

回滚流程省略前的RM注册过程。

1565825023007

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。

3.3.8 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。

(6)Controller

@RestController
public class Bank1Controller {

    @Autowired
    AccountInfoService accountInfoService;

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

3.3.9 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;
    }
}

3.3.10 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。

3.4.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。

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