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四种事务模式

一、XA模式​

XA 规范 是 X/Open 组织定义的分布式事务处理（DTP，Distributed Transaction Processing）标准，XA 规范 描述了全局的TM与局部的RM之间的接口，几乎所有主流的数据库都对 XA 规范 提供了支持。

1.两阶段提交​

XA是规范，目前主流数据库都实现了这种规范，实现的原理都是基于两阶段提交。

正常情况：

image-20210724174102768

异常情况：

image-20210724174234987

一阶段：

  • 事务协调者通知每个事物参与者执行本地事务
  • 本地事务执行完成后报告事务执行状态给事务协调者，此时事务不提交，继续持有数据库锁

二阶段：

  • 事务协调者基于一阶段的报告来判断下一步操作
    • 如果一阶段都成功，则通知所有事务参与者，提交事务
    • 如果一阶段任意一个参与者失败，则通知所有事务参与者回滚事务

2.Seata的XA模型​

Seata对原始的XA模式做了简单的封装和改造，以适应自己的事务模型，基本架构如图：

image-20210724174424070

RM一阶段的工作：

​ ① 注册分支事务到TC

​ ② 执行分支业务sql但不提交

​ ③ 报告执行状态到TC

TC二阶段的工作：

  • TC检测各分支事务执行状态

    a.如果都成功，通知所有RM提交事务

    b.如果有失败，通知所有RM回滚事务

RM二阶段的工作：

  • 接收TC指令，提交或回滚事务

3.优缺点​

XA模式的优点是什么？

  • 事务的强一致性，满足ACID原则。
  • 常用数据库都支持，实现简单，并且没有代码侵入

XA模式的缺点是什么？

  • 因为一阶段需要锁定数据库资源，等待二阶段结束才释放，性能较差
  • 依赖关系型数据库实现事务

4.实现XA模式​

Seata的starter已经完成了XA模式的自动装配，实现非常简单，步骤如下：

1）修改application.yml文件（每个参与事务的微服务），开启XA模式：

seata:
  data-source-proxy-mode: XA

2）给发起全局事务的入口方法添加@GlobalTransactional注解:

本例中是OrderServiceImpl中的create方法.

image-20210724174859556

3）重启服务并测试

重启order-service，再次测试，发现无论怎样，三个微服务都能成功回滚。

二、AT模式​

AT模式同样是分阶段提交的事务模型，不过缺弥补了XA模型中资源锁定周期过长的缺陷。

1.Seata的AT模型​

基本流程图：

image-20210724175327511

阶段一RM的工作：

  • 注册分支事务
  • 记录undo-log（数据快照）
  • 执行业务sql并提交
  • 报告事务状态

阶段二提交时RM的工作：

  • 删除undo-log即可

阶段二回滚时RM的工作：

  • 根据undo-log恢复数据到更新前

2.流程梳理​

我们用一个真实的业务来梳理下AT模式的原理。

比如，现在又一个数据库表，记录用户余额：

idmoney
1100

其中一个分支业务要执行的SQL为：

update tb_account set money = money - 10 where id = 1

AT模式下，当前分支事务执行流程如下：

一阶段：

1）TM发起并注册全局事务到TC

2）TM调用分支事务

3）分支事务准备执行业务SQL

4）RM拦截业务SQL，根据where条件查询原始数据，形成快照。

{
    "id": 1, "money": 100
}

5）RM执行业务SQL，提交本地事务，释放数据库锁。此时 money = 90

6）RM报告本地事务状态给TC

二阶段：

1）TM通知TC事务结束

2）TC检查分支事务状态

​ a）如果都成功，则立即删除快照

​ b）如果有分支事务失败，需要回滚。读取快照数据（{"id": 1, "money": 100}），将快照恢复到数据库。此时数据库再次恢复为100

流程图：

image-20210724180722921

3.AT与XA的区别​

简述AT模式与XA模式最大的区别是什么？

  • XA模式一阶段不提交事务，锁定资源；AT模式一阶段直接提交，不锁定资源。
  • XA模式依赖数据库机制实现回滚；AT模式利用数据快照实现数据回滚。
  • XA模式强一致；AT模式最终一致

4.脏写问题​

在多线程并发访问AT模式的分布式事务时，有可能出现脏写问题，如图：

image-20210724181541234

解决思路就是引入了全局锁的概念。在释放DB锁之前，先拿到全局锁。避免同一时刻有另外一个事务来操作当前数据。

image-20210724181843029

5.优缺点​

AT模式的优点：

  • 一阶段完成直接提交事务，释放数据库资源，性能比较好
  • 利用全局锁实现读写隔离
  • 没有代码侵入，框架自动完成回滚和提交

AT模式的缺点：

  • 两阶段之间属于软状态，属于最终一致
  • 框架的快照功能会影响性能，但比XA模式要好很多

6.实现AT模式​

AT模式中的快照生成、回滚等动作都是由框架自动完成，没有任何代码侵入，因此实现非常简单。

只不过，AT模式需要一个表来记录全局锁、另一张表来记录数据快照undo_log。

1）导入数据库表，记录全局锁​

其中lock_table导入到TC服务关联的数据库（在使用docker-compose配置TC服务器时已经导入），undo_log表导入到微服务关联的数据库：

SEATA AT 模式需要 UNDO_LOG 表。你可以通过 github 获取到指定版本的undo log SQL 脚本.

undo_log表
-- for AT mode you must to init this sql for you business database. the seata server not need it.
CREATE TABLE IF NOT EXISTS `undo_log`
(
    `branch_id`     BIGINT       NOT NULL COMMENT 'branch transaction id',
    `xid`           VARCHAR(128) NOT NULL COMMENT 'global transaction id',
    `context`       VARCHAR(128) NOT NULL COMMENT 'undo_log context,such as serialization',
    `rollback_info` LONGBLOB     NOT NULL COMMENT 'rollback info',
    `log_status`    INT(11)      NOT NULL COMMENT '0:normal status,1:defense status',
    `log_created`   DATETIME(6)  NOT NULL COMMENT 'create datetime',
    `log_modified`  DATETIME(6)  NOT NULL COMMENT 'modify datetime',
    UNIQUE KEY `ux_undo_log` (`xid`, `branch_id`)
) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT = 1 DEFAULT CHARSET = utf8mb4 COMMENT ='AT transaction mode undo table';
ALTER TABLE `undo_log` ADD INDEX `ix_log_created` (`log_created`);

2）修改application.yml文件，将事务模式修改为AT模式即可：​

seata:
  data-source-proxy-mode: AT # 默认就是AT

3）重启服务并测试​

三、TCC模式​

TCC模式与AT模式非常相似，每阶段都是独立事务，不同的是TCC通过人工编码来实现数据恢复。需要实现三个方法：

  • Try：资源的检测和预留；

  • Confirm：完成资源操作业务；要求 Try 成功 Confirm 一定要能成功。

  • Cancel：预留资源释放，可以理解为try的反向操作。

1.流程分析​

举例，一个扣减用户余额的业务。假设账户A原来余额是100，需要余额扣减30元。

  • 阶段一（ Try ）：检查余额是否充足，如果充足则冻结金额增加30元，可用余额扣除30

初识余额：

image-20210724182424907

余额充足，可以冻结：

image-20210724182457951

此时，总金额 = 冻结金额 + 可用金额，数量依然是100不变。事务直接提交无需等待其它事务。

  • 阶段二（Confirm)：假如要提交（Confirm），则冻结金额扣减30

确认可以提交，不过之前可用金额已经扣减过了，这里只要清除冻结金额就好了：

image-20210724182706011

此时，总金额 = 冻结金额 + 可用金额 = 0 + 70 = 70元

  • 阶段二(Canncel)：如果要回滚（Cancel），则冻结金额扣减30，可用余额增加30

需要回滚，那么就要释放冻结金额，恢复可用金额：

image-20210724182424907

2.Seata的TCC模型​

Seata中的TCC模型依然延续之前的事务架构，如图：

image-20210724182937713

3.优缺点​

TCC模式的每个阶段是做什么的？

  • Try：资源检查和预留
  • Confirm：业务执行和提交
  • Cancel：预留资源的释放

TCC的优点是什么？

  • 一阶段完成直接提交事务，释放数据库资源，性能好
  • 相比AT模型，无需生成快照，无需使用全局锁，性能最强
  • 不依赖数据库事务，而是依赖补偿操作，可以用于非事务型数据库

TCC的缺点是什么？

  • 有代码侵入，需要人为编写try、Confirm和Cancel接口，太麻烦
  • 软状态，事务是最终一致
  • 需要考虑Confirm和Cancel的失败情况，做好幂等处理

4.事务悬挂和空回滚（注意）​

1）空回滚​

当某分支事务的try阶段阻塞时，可能导致全局事务超时而触发二阶段的cancel操作。在未执行try操作时先执行了cancel操作，这时cancel不能做回滚，就是空回滚。

如图：

image-20210724183426891

执行cancel操作时，应当判断try是否已经执行，如果尚未执行，则应该空回滚。

2）业务悬挂​

对于已经空回滚的业务，之前被阻塞的try操作恢复，继续执行try，就永远不可能confirm或cancel ，事务一直处于中间状态，这就是业务悬挂。

执行try操作时，应当判断cancel是否已经执行过了，如果已经执行，应当阻止空回滚后的try操作，避免悬挂

5.实现TCC模式​

解决空回滚和业务悬挂问题，必须要记录当前事务状态，是在try、还是cancel？

1）思路分析​

这里我们定义一张表：

CREATE TABLE `account_freeze_tbl` (
  `xid` varchar(128) NOT NULL,
  `user_id` varchar(255) DEFAULT NULL COMMENT '用户id',
  `freeze_money` int(11) unsigned DEFAULT '0' COMMENT '冻结金额',
  `state` int(1) DEFAULT NULL COMMENT '事务状态，0:try，1:confirm，2:cancel',
  PRIMARY KEY (`xid`) USING BTREE
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 ROW_FORMAT=COMPACT;

其中：

  • xid：是全局事务id
  • freeze_money：用来记录用户冻结金额
  • state：用来记录事务状态

那此时，我们的业务开怎么做呢？

  • Try业务：
    • 记录冻结金额和事务状态到account_freeze表
    • 扣减account表可用金额
  • Confirm业务
    • 根据xid删除account_freeze表的冻结记录
  • Cancel业务
    • 修改account_freeze表，冻结金额为0，state为2
    • 修改account表，恢复可用金额
  • 如何判断是否空回滚？
    • cancel业务中，根据xid查询account_freeze，如果为null则说明try还没做，需要空回滚
  • 如何避免业务悬挂？
    • try业务中，根据xid查询account_freeze ，如果已经存在则证明Cancel已经执行，拒绝执行try业务

接下来，我们改造account-service，利用TCC实现余额扣减功能。

2）声明TCC接口​

TCC的Try、Confirm、Cancel方法都需要在接口中基于注解来声明，

我们在account-service项目中的cn.itcast.account.service包中新建一个接口，声明TCC三个接口：

package cn.itcast.account.service;

import io.seata.rm.tcc.api.BusinessActionContext;
import io.seata.rm.tcc.api.BusinessActionContextParameter;
import io.seata.rm.tcc.api.LocalTCC;
import io.seata.rm.tcc.api.TwoPhaseBusinessAction;

@LocalTCC
public interface AccountTCCService {

    @TwoPhaseBusinessAction(name = "deduct", commitMethod = "confirm", rollbackMethod = "cancel")
    void deduct(@BusinessActionContextParameter(paramName = "userId") String userId,
                @BusinessActionContextParameter(paramName = "money")int money);

    boolean confirm(BusinessActionContext ctx);

    boolean cancel(BusinessActionContext ctx);
}

3）编写实现类​

在account-service服务中的cn.itcast.account.service.impl包下新建一个类，实现TCC业务：

package cn.itcast.account.service.impl;

import cn.itcast.account.entity.AccountFreeze;
import cn.itcast.account.mapper.AccountFreezeMapper;
import cn.itcast.account.mapper.AccountMapper;
import cn.itcast.account.service.AccountTCCService;
import io.seata.core.context.RootContext;
import io.seata.rm.tcc.api.BusinessActionContext;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;

@Service
@Slf4j
public class AccountTCCServiceImpl implements AccountTCCService {

    @Autowired
    private AccountMapper accountMapper;
    @Autowired
    private AccountFreezeMapper freezeMapper;

    @Override
    @Transactional
    public void deduct(String userId, int money) {
        // 0.获取事务id
        String xid = RootContext.getXID();
        // 1.扣减可用余额
        accountMapper.deduct(userId, money);
        // 2.记录冻结金额，事务状态
        AccountFreeze freeze = new AccountFreeze();
        freeze.setUserId(userId);
        freeze.setFreezeMoney(money);
        freeze.setState(AccountFreeze.State.TRY);
        freeze.setXid(xid);
        freezeMapper.insert(freeze);
    }

    @Override
    public boolean confirm(BusinessActionContext ctx) {
        // 1.获取事务id
        String xid = ctx.getXid();
        // 2.根据id删除冻结记录
        int count = freezeMapper.deleteById(xid);
        return count == 1;
    }

    @Override
    public boolean cancel(BusinessActionContext ctx) {
        // 0.查询冻结记录
        String xid = ctx.getXid();
        AccountFreeze freeze = freezeMapper.selectById(xid);

        // 1.恢复可用余额
        accountMapper.refund(freeze.getUserId(), freeze.getFreezeMoney());
        // 2.将冻结金额清零，状态改为CANCEL
        freeze.setFreezeMoney(0);
        freeze.setState(AccountFreeze.State.CANCEL);
        int count = freezeMapper.updateById(freeze);
        return count == 1;
    }
}

四、SAGA模式​

Saga 模式是 Seata 即将开源的长事务解决方案，将由蚂蚁金服主要贡献。

其理论基础是Hector & Kenneth 在1987年发表的论文Sagas。

Seata官网对于Saga的指南：https://seata.io/zh-cn/docs/user/saga.html

1.原理​

在 Saga 模式下，分布式事务内有多个参与者，每一个参与者都是一个冲正补偿服务，需要用户根据业务场景实现其正向操作和逆向回滚操作。

分布式事务执行过程中，依次执行各参与者的正向操作，如果所有正向操作均执行成功，那么分布式事务提交。如果任何一个正向操作执行失败，那么分布式事务会去退回去执行前面各参与者的逆向回滚操作，回滚已提交的参与者，使分布式事务回到初始状态。

image-20210724184846396

Saga也分为两个阶段：

  • 一阶段：直接提交本地事务
  • 二阶段：成功则什么都不做；失败则通过编写补偿业务来回滚

2.优缺点​

优点：

  • 事务参与者可以基于事件驱动实现异步调用，吞吐高
  • 一阶段直接提交事务，无锁，性能好
  • 不用编写TCC中的三个阶段，实现简单

缺点：

  • 软状态持续时间不确定，时效性差
  • 没有锁，没有事务隔离，会有脏写

五、四种模式对比​

我们从以下几个方面来对比四种实现：

  • 一致性：能否保证事务的一致性？强一致还是最终一致？
  • 隔离性：事务之间的隔离性如何？
  • 代码侵入：是否需要对业务代码改造？
  • 性能：有无性能损耗？
  • 场景：常见的业务场景

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