怎么進(jìn)行分布式事務(wù)淺析-創(chuàng)新互聯(lián)

這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān)怎么進(jìn)行分布式事務(wù)淺析，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

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什么是分布式系統(tǒng)，這對后端工程師來說是很重要的一門學(xué)問，我們會逐步了解常見的分布式技術(shù)、以及一些較為常見的分布式系統(tǒng)概念，同時也需要進(jìn)一步了解zookeeper、分布式事務(wù)、分布式鎖、負(fù)載均衡等技術(shù)，以便讓你更完整地了解分布式技術(shù)的具體實(shí)戰(zhàn)方法，為真正應(yīng)用分布式技術(shù)做好準(zhǔn)備。

眾所周知，數(shù)據(jù)庫能實(shí)現(xiàn)本地事務(wù)，也就是在同一個數(shù)據(jù)庫中，你可以允許一組操作要么全都正確執(zhí)行，要么全都不執(zhí)行。這里特別強(qiáng)調(diào)了本地事務(wù)，也就是目前的數(shù)據(jù)庫只能支持同一個數(shù)據(jù)庫中的事務(wù)。但現(xiàn)在的系統(tǒng)往往采用微服務(wù)架構(gòu)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫，因此就出現(xiàn)了跨多個數(shù)據(jù)庫的事務(wù)需求，這種事務(wù)即為“分布式事務(wù)”。那么在目前數(shù)據(jù)庫不支持跨庫事務(wù)的情況下，我們應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)分布式事務(wù)呢？本文首先會為大家梳理分布式事務(wù)的基本概念和理論基礎(chǔ)，然后介紹幾種目前常用的分布式事務(wù)解決方案。廢話不多說，那就開始吧～

什么是事務(wù)？
事務(wù)由一組操作構(gòu)成，我們希望這組操作能夠全部正確執(zhí)行，如果這一組操作中的任意一個步驟發(fā)生錯誤，那么就需要回滾之前已經(jīng)完成的操作。也就是同一個事務(wù)中的所有操作，要么全都正確執(zhí)行，要么全都不要執(zhí)行。

事務(wù)的四大特性 ACID
說到事務(wù)，就不得不提一下事務(wù)著名的四大特性。

原子性原子性要求，事務(wù)是一個不可分割的執(zhí)行單元，事務(wù)中的所有操作要么全都執(zhí)行，要么全都不執(zhí)行。

一致性一致性要求，事務(wù)在開始前和結(jié)束后，數(shù)據(jù)庫的完整性約束沒有被破壞。

隔離性事務(wù)的執(zhí)行是相互獨(dú)立的，它們不會相互干擾，一個事務(wù)不會看到另一個正在運(yùn)行過程中的事務(wù)的數(shù)據(jù)。

持久性持久性要求，一個事務(wù)完成之后，事務(wù)的執(zhí)行結(jié)果必須是持久化保存的。即使數(shù)據(jù)庫發(fā)生崩潰，在數(shù)據(jù)庫恢復(fù)后事務(wù)提交的結(jié)果仍然不會丟失。

注意：事務(wù)只能保證數(shù)據(jù)庫的高可靠性，即數(shù)據(jù)庫本身發(fā)生問題后，事務(wù)提交后的數(shù)據(jù)仍然能恢復(fù)；而如果不是數(shù)據(jù)庫本身的故障，如硬盤損壞了，那么事務(wù)提交的數(shù)據(jù)可能就丟失了。這屬于『高可用性』的范疇。因此，事務(wù)只能保證數(shù)據(jù)庫的『高可靠性』，而『高可用性』需要整個系統(tǒng)共同配合實(shí)現(xiàn)。

事務(wù)的隔離級別
這里擴(kuò)展一下，對事務(wù)的隔離性做一個詳細(xì)的解釋。

在事務(wù)的四大特性ACID中，要求的隔離性是一種嚴(yán)格意義上的隔離，也就是多個事務(wù)是串行執(zhí)行的，彼此之間不會受到任何干擾。這確實(shí)能夠完全保證數(shù)據(jù)的安全性，但在實(shí)際業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，這種方式性能不高。因此，數(shù)據(jù)庫定義了四種隔離級別，隔離級別和數(shù)據(jù)庫的性能是呈反比的，隔離級別越低，數(shù)據(jù)庫性能越高，而隔離級別越高，數(shù)據(jù)庫性能越差。

事務(wù)并發(fā)執(zhí)行會出現(xiàn)的問題
我們先來看一下在不同的隔離級別下，數(shù)據(jù)庫可能會出現(xiàn)的問題：

更新丟失當(dāng)有兩個并發(fā)執(zhí)行的事務(wù)，更新同一行數(shù)據(jù)，那么有可能一個事務(wù)會把另一個事務(wù)的更新覆蓋掉。當(dāng)數(shù)據(jù)庫沒有加任何鎖操作的情況下會發(fā)生。

臟讀一個事務(wù)讀到另一個尚未提交的事務(wù)中的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可能會被回滾從而失效。如果第一個事務(wù)拿著失效的數(shù)據(jù)去處理那就發(fā)生錯誤了。

不可重復(fù)讀不可重復(fù)度的含義：一個事務(wù)對同一行數(shù)據(jù)讀了兩次，卻得到了不同的結(jié)果。它具體分為如下兩種情況：

虛讀：在事務(wù)1兩次讀取同一記錄的過程中，事務(wù)2對該記錄進(jìn)行了修改，從而事務(wù)1第二次讀到了不一樣的記錄。
幻讀：事務(wù)1在兩次查詢的過程中，事務(wù)2對該表進(jìn)行了插入、刪除操作，從而事務(wù)1第二次查詢的結(jié)果發(fā)生了變化。
不可重復(fù)讀與臟讀的區(qū)別？臟讀讀到的是尚未提交的數(shù)據(jù)，而不可重復(fù)讀讀到的是已經(jīng)提交的數(shù)據(jù)，只不過在兩次讀的過程中數(shù)據(jù)被另一個事務(wù)改過了。

數(shù)據(jù)庫的四種隔離級別
數(shù)據(jù)庫一共有如下四種隔離級別：

Read uncommitted 讀未提交在該級別下，一個事務(wù)對一行數(shù)據(jù)修改的過程中，不允許另一個事務(wù)對該行數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，但允許另一個事務(wù)對該行數(shù)據(jù)讀。因此本級別下，不會出現(xiàn)更新丟失，但會出現(xiàn)臟讀、不可重復(fù)讀。

Read committed 讀提交在該級別下，未提交的寫事務(wù)不允許其他事務(wù)訪問該行，因此不會出現(xiàn)臟讀；但是讀取數(shù)據(jù)的事務(wù)允許其他事務(wù)的訪問該行數(shù)據(jù)，因此會出現(xiàn)不可重復(fù)讀的情況。

Repeatable read 重復(fù)讀在該級別下，讀事務(wù)禁止寫事務(wù)，但允許讀事務(wù)，因此不會出現(xiàn)同一事務(wù)兩次讀到不同的數(shù)據(jù)的情況（不可重復(fù)讀），且寫事務(wù)禁止其他一切事務(wù)。

Serializable 序列化該級別要求所有事務(wù)都必須串行執(zhí)行，因此能避免一切因并發(fā)引起的問題，但效率很低。

隔離級別越高，越能保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，但是對并發(fā)性能的影響也越大。對于多數(shù)應(yīng)用程序，可以優(yōu)先考慮把數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的隔離級別設(shè)為Read Committed。它能夠避免臟讀取，而且具有較好的并發(fā)性能。盡管它會導(dǎo)致不可重復(fù)讀、幻讀和第二類丟失更新這些并發(fā)問題，在可能出現(xiàn)這類問題的個別場合，可以由應(yīng)用程序采用悲觀鎖或樂觀鎖來控制。

什么是分布式事務(wù)？
到此為止，所介紹的事務(wù)都是基于單數(shù)據(jù)庫的本地事務(wù)，目前的數(shù)據(jù)庫僅支持單庫事務(wù)，并不支持跨庫事務(wù)。而隨著微服務(wù)架構(gòu)的普及，一個大型業(yè)務(wù)系統(tǒng)往往由若干個子系統(tǒng)構(gòu)成，這些子系統(tǒng)又擁有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫。往往一個業(yè)務(wù)流程需要由多個子系統(tǒng)共同完成，而且這些操作可能需要在一個事務(wù)中完成。在微服務(wù)系統(tǒng)中，這些業(yè)務(wù)場景是普遍存在的。此時，我們就需要在數(shù)據(jù)庫之上通過某種手段，實(shí)現(xiàn)支持跨數(shù)據(jù)庫的事務(wù)支持，這也就是大家常說的“分布式事務(wù)”。

這里舉一個分布式事務(wù)的典型例子——用戶下單過程。當(dāng)我們的系統(tǒng)采用了微服務(wù)架構(gòu)后，一個電商系統(tǒng)往往被拆分成如下幾個子系統(tǒng)：商品系統(tǒng)、訂單系統(tǒng)、支付系統(tǒng)、積分系統(tǒng)等。整個下單的過程如下：

用戶通過商品系統(tǒng)瀏覽商品，他看中了某一項(xiàng)商品，便點(diǎn)擊下單
此時訂單系統(tǒng)會生成一條訂單
訂單創(chuàng)建成功后，支付系統(tǒng)提供支付功能
當(dāng)支付完成后，由積分系統(tǒng)為該用戶增加積分
上述步驟2、3、4需要在一個事務(wù)中完成。對于傳統(tǒng)單體應(yīng)用而言，實(shí)現(xiàn)事務(wù)非常簡單，只需將這三個步驟放在一個方法A中，再用Spring的 @Transactional注解標(biāo)識該方法即可。Spring通過數(shù)據(jù)庫的事務(wù)支持，保證這些步驟要么全都執(zhí)行完成，要么全都不執(zhí)行。但在這個微服務(wù)架構(gòu)中，這三個步驟涉及三個系統(tǒng)，涉及三個數(shù)據(jù)庫，此時我們必須在數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用系統(tǒng)之間，通過某項(xiàng)黑科技，實(shí)現(xiàn)分布式事務(wù)的支持。

CAP理論
CAP理論說的是：在一個分布式系統(tǒng)中，最多只能滿足C、A、P中的兩個需求。

CAP的含義：

C：Consistency 一致性同一數(shù)據(jù)的多個副本是否實(shí)時相同。
A：Availability 可用性可用性：一定時間內(nèi) & 系統(tǒng)返回一個明確的結(jié)果則稱為該系統(tǒng)可用。
P：Partition tolerance 分區(qū)容錯性將同一服務(wù)分布在多個系統(tǒng)中，從而保證某一個系統(tǒng)宕機(jī)，仍然有其他系統(tǒng)提供相同的服務(wù)。
CAP理論告訴我們，在分布式系統(tǒng)中，C、A、P三個條件中我們最多只能選擇兩個。那么問題來了，究竟選擇哪兩個條件較為合適呢？

對于一個業(yè)務(wù)系統(tǒng)來說，可用性和分區(qū)容錯性是必須要滿足的兩個條件，并且這兩者是相輔相成的。業(yè)務(wù)系統(tǒng)之所以使用分布式系統(tǒng)，主要原因有兩個：

提升整體性能當(dāng)業(yè)務(wù)量猛增，單個服務(wù)器已經(jīng)無法滿足我們的業(yè)務(wù)需求的時候，就需要使用分布式系統(tǒng)，使用多個節(jié)點(diǎn)提供相同的功能，從而整體上提升系統(tǒng)的性能，這就是使用分布式系統(tǒng)的第一個原因。

實(shí)現(xiàn)分區(qū)容錯性單一節(jié)點(diǎn) 或多個節(jié)點(diǎn)處于相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，那么會存在一定的風(fēng)險，萬一該機(jī)房斷電、該地區(qū)發(fā)生自然災(zāi)害，那么業(yè)務(wù)系統(tǒng)就全面癱瘓了。為了防止這一問題，采用分布式系統(tǒng)，將多個子系統(tǒng)分布在不同的地域、不同的機(jī)房中，從而保證系統(tǒng)高可用性。

這說明分區(qū)容錯性是分布式系統(tǒng)的根本，如果分區(qū)容錯性不能滿足，那使用分布式系統(tǒng)將失去意義。

此外，可用性對業(yè)務(wù)系統(tǒng)也尤為重要。在大談用戶體驗(yàn)的今天，如果業(yè)務(wù)系統(tǒng)時常出現(xiàn)“系統(tǒng)異常”、響應(yīng)時間過長等情況，這使得用戶對系統(tǒng)的好感度大打折扣，在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)競爭激烈的今天，相同領(lǐng)域的競爭者不甚枚舉，系統(tǒng)的間歇性不可用會立馬導(dǎo)致用戶流向競爭對手。因此，我們只能通過犧牲一致性來換取系統(tǒng)的可用性和分區(qū)容錯性。這也就是下面要介紹的BASE理論。

BASE理論
CAP理論告訴我們一個悲慘但不得不接受的事實(shí)——我們只能在C、A、P中選擇兩個條件。而對于業(yè)務(wù)系統(tǒng)而言，我們往往選擇犧牲一致性來換取系統(tǒng)的可用性和分區(qū)容錯性。不過這里要指出的是，所謂的“犧牲一致性”并不是完全放棄數(shù)據(jù)一致性，而是犧牲強(qiáng)一致性換取弱一致性。下面來介紹下BASE理論。

BA：Basic Available 基本可用
整個系統(tǒng)在某些不可抗力的情況下，仍然能夠保證“可用性”，即一定時間內(nèi)仍然能夠返回一個明確的結(jié)果。只不過“基本可用”和“高可用”的區(qū)別是：
“一定時間”可以適當(dāng)延長當(dāng)舉行大促時，響應(yīng)時間可以適當(dāng)延長
給部分用戶返回一個降級頁面給部分用戶直接返回一個降級頁面，從而緩解服務(wù)器壓力。但要注意，返回降級頁面仍然是返回明確結(jié)果。
S：Soft State：柔性狀態(tài)同一數(shù)據(jù)的不同副本的狀態(tài)，可以不需要實(shí)時一致。
E：Eventual Consisstency：最終一致性同一數(shù)據(jù)的不同副本的狀態(tài)，可以不需要實(shí)時一致，但一定要保證經(jīng)過一定時間后仍然是一致的。
酸堿平衡
ACID能夠保證事務(wù)的強(qiáng)一致性，即數(shù)據(jù)是實(shí)時一致的。這在本地事務(wù)中是沒有問題的，在分布式事務(wù)中，強(qiáng)一致性會極大影響分布式系統(tǒng)的性能，因此分布式系統(tǒng)中遵循BASE理論即可。但分布式系統(tǒng)的不同業(yè)務(wù)場景對一致性的要求也不同。如交易場景下，就要求強(qiáng)一致性，此時就需要遵循ACID理論，而在注冊成功后發(fā)送短信驗(yàn)證碼等場景下，并不需要實(shí)時一致，因此遵循BASE理論即可。因此要根據(jù)具體業(yè)務(wù)場景，在ACID和BASE之間尋求平衡。

分布式事務(wù)協(xié)議
下面介紹幾種實(shí)現(xiàn)分布式事務(wù)的協(xié)議。

理解2PC和3PC協(xié)議

為了解決分布式一致性問題，前人在性能和數(shù)據(jù)一致性的反反復(fù)復(fù)權(quán)衡過程中總結(jié)了許多典型的協(xié)議和算法。其中比較著名的有二階提交協(xié)議（2 Phase Commitment Protocol），三階提交協(xié)議（3 Phase Commitment Protocol）。

2PC

分布式事務(wù)最常用的解決方案就是二階段提交。在分布式系統(tǒng)中，每個節(jié)點(diǎn)雖然可以知曉自己的操作時成功或者失敗，卻無法知道其他節(jié)點(diǎn)的操作的成功或失敗。當(dāng)一個事務(wù)跨越多個節(jié)點(diǎn)時，為了保持事務(wù)的ACID特性，需要引入一個作為協(xié)調(diào)者的組件來統(tǒng)一掌控所有參與者節(jié)點(diǎn)的操作結(jié)果并最終指示這些節(jié)點(diǎn)是否要把操作結(jié)果進(jìn)行真正的提交。

因此，二階段提交的算法思路可以概括為：參與者將操作成敗通知協(xié)調(diào)者，再由協(xié)調(diào)者根據(jù)所有參與者的反饋情報決定各參與者是否要提交操作還是中止操作。

所謂的兩個階段是指：第一階段：準(zhǔn)備階段（投票階段）和第二階段：提交階段（執(zhí)行階段）。

第一階段：投票階段

該階段的主要目的在于打探數(shù)據(jù)庫集群中的各個參與者是否能夠正常的執(zhí)行事務(wù)，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向所有的參與者發(fā)送事務(wù)執(zhí)行請求，并等待參與者反饋事務(wù)執(zhí)行結(jié)果。
事務(wù)參與者收到請求之后，執(zhí)行事務(wù)，但不提交，并記錄事務(wù)日志。
參與者將自己事務(wù)執(zhí)行情況反饋給協(xié)調(diào)者，同時阻塞等待協(xié)調(diào)者的后續(xù)指令。

第二階段：事務(wù)提交階段

在第一階段協(xié)調(diào)者的詢盤之后，各個參與者會回復(fù)自己事務(wù)的執(zhí)行情況，這時候存在三種可能：

所有的參與者回復(fù)能夠正常執(zhí)行事務(wù)。
一個或多個參與者回復(fù)事務(wù)執(zhí)行失敗。
協(xié)調(diào)者等待超時。

對于第一種情況，協(xié)調(diào)者將向所有的參與者發(fā)出提交事務(wù)的通知，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向各個參與者發(fā)送commit通知，請求提交事務(wù)。
參與者收到事務(wù)提交通知之后，執(zhí)行commit操作，然后釋放占有的資源。
參與者向協(xié)調(diào)者返回事務(wù)commit結(jié)果信息。

對于第二、三種情況，協(xié)調(diào)者均認(rèn)為參與者無法正常成功執(zhí)行事務(wù)，為了整個集群數(shù)據(jù)的一致性，所以要向各個參與者發(fā)送事務(wù)回滾通知，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向各個參與者發(fā)送事務(wù)rollback通知，請求回滾事務(wù)。
參與者收到事務(wù)回滾通知之后，執(zhí)行rollback操作，然后釋放占有的資源。
參與者向協(xié)調(diào)者返回事務(wù)rollback結(jié)果信息。

兩階段提交協(xié)議解決的是分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)強(qiáng)一致性問題，其原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是缺點(diǎn)也是顯而易見的，主要缺點(diǎn)如下：

單點(diǎn)問題：協(xié)調(diào)者在整個兩階段提交過程中扮演著舉足輕重的作用，一旦協(xié)調(diào)者所在服務(wù)器宕機(jī)，那么就會影響整個數(shù)據(jù)庫集群的正常運(yùn)行，比如在第二階段中，如果協(xié)調(diào)者因?yàn)楣收喜荒苷０l(fā)送事務(wù)提交或回滾通知，那么參與者們將一直處于阻塞狀態(tài)，整個數(shù)據(jù)庫集群將無法提供服務(wù)。

同步阻塞：兩階段提交執(zhí)行過程中，所有的參與者都需要聽從協(xié)調(diào)者的統(tǒng)一調(diào)度，期間處于阻塞狀態(tài)而不能從事其他操作，這樣效率及其低下。

數(shù)據(jù)不一致性：兩階段提交協(xié)議雖然為分布式數(shù)據(jù)強(qiáng)一致性所設(shè)計，但仍然存在數(shù)據(jù)不一致性的可能，比如在第二階段中，假設(shè)協(xié)調(diào)者發(fā)出了事務(wù)commit的通知，但是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)問題該通知僅被一部分參與者所收到并執(zhí)行了commit操作，其余的參與者則因?yàn)闆]有收到通知一直處于阻塞狀態(tài)，這時候就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)的不一致性。

3PC

針對兩階段提交存在的問題，三階段提交協(xié)議通過引入一個“預(yù)詢盤”階段，以及超時策略來減少整個集群的阻塞時間，提升系統(tǒng)性能。三階段提交的三個階段分別為：can_commit，pre_commit，do_commit。

第一階段：can_commit

該階段協(xié)調(diào)者會去詢問各個參與者是否能夠正常執(zhí)行事務(wù)，參與者根據(jù)自身情況回復(fù)一個預(yù)估值，相對于真正的執(zhí)行事務(wù)，這個過程是輕量的，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向各個參與者發(fā)送事務(wù)詢問通知，詢問是否可以執(zhí)行事務(wù)操作，并等待回復(fù)。
各個參與者依據(jù)自身狀況回復(fù)一個預(yù)估值，如果預(yù)估自己能夠正常執(zhí)行事務(wù)就返回確定信息，并進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)，否則返回否定信息。

第二階段：pre_commit

本階段協(xié)調(diào)者會根據(jù)第一階段的詢盤結(jié)果采取相應(yīng)操作，詢盤結(jié)果主要有三種：

所有的參與者都返回確定信息。
一個或多個參與者返回否定信息。
協(xié)調(diào)者等待超時。

針對第一種情況，協(xié)調(diào)者會向所有參與者發(fā)送事務(wù)執(zhí)行請求，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向所有的事務(wù)參與者發(fā)送事務(wù)執(zhí)行通知。
參與者收到通知后，執(zhí)行事務(wù)，但不提交。
參與者將事務(wù)執(zhí)行情況返回給客戶端。

在上面的步驟中，如果參與者等待超時，則會中斷事務(wù)。針對第二、三種情況，協(xié)調(diào)者認(rèn)為事務(wù)無法正常執(zhí)行，于是向各個參與者發(fā)出abort通知，請求退出預(yù)備狀態(tài)，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向所有事務(wù)參與者發(fā)送abort通知
參與者收到通知后，中斷事務(wù)

第三階段：do_commit

如果第二階段事務(wù)未中斷，那么本階段協(xié)調(diào)者將會依據(jù)事務(wù)執(zhí)行返回的結(jié)果來決定提交或回滾事務(wù)，分為三種情況：

所有的參與者都能正常執(zhí)行事務(wù)。
一個或多個參與者執(zhí)行事務(wù)失敗。
協(xié)調(diào)者等待超時。

針對第一種情況，協(xié)調(diào)者向各個參與者發(fā)起事務(wù)提交請求，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向所有參與者發(fā)送事務(wù)commit通知。
所有參與者在收到通知之后執(zhí)行commit操作，并釋放占有的資源。
參與者向協(xié)調(diào)者反饋事務(wù)提交結(jié)果。

針對第二、三種情況，協(xié)調(diào)者認(rèn)為事務(wù)無法正常執(zhí)行，于是向各個參與者發(fā)送事務(wù)回滾請求，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向所有參與者發(fā)送事務(wù)rollback通知。
所有參與者在收到通知之后執(zhí)行rollback操作，并釋放占有的資源。
參與者向協(xié)調(diào)者反饋事務(wù)提交結(jié)果。

上述就是小編為大家分享的怎么進(jìn)行分布式事務(wù)淺析了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進(jìn)行理解。如果想知道更多相關(guān)知識，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)-成都網(wǎng)站建設(shè)公司行業(yè)資訊頻道。

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