原创

分布式基础(十一)——分布式理论之分布式事务:2PC

一、何谓分布式事务

1.1 单体应用

首先,来看下传统的单体应用(Monolithic App)。下图是一个单体应用的 3 个 模块,在同一个数据源上更新数据来完成一项业务,整个过程的数据一致性可以由数据库的本地事务来保证,如下图:



关于传统的数据库事务,其背后的核心就是ACID理论,本文不再赘述,读者可以参阅专门的书籍,后续我的MySQL系列也会专门讲解。

1.2 分布式应用

随着业务需求和架构的变化,单体应用进行了服务化拆分:原来的 3 个 模块被拆分为 3 个独立的服务,每个服务使用独立的数据源(Pattern: Database per service)。整个业务过程将由 3 个服务的调用来完成,如下图:



此时,每个服务自身的数据一致性仍有本地事务来保证,但是整个业务层面的全局数据一致性要如何保障呢?比如订单服务和账户服务,都有各自的数据库,必须保证操作的一致性,不能出现下单成功但是没记账的情况。这就是分布式系统所面临的典型分布式事务需求:

分布式系统需要一个解决方案来保障对所有节点操作的数据一致性,这些操作组成一个分布式事务,要么全部执行,要么全部不执行。

二、二阶段协议详解

二阶段提交(2PC, two-phase commit protocol),顾名思义,就是通过二阶段的协商来完成一个提交操作。

2PC 最早是用来实现数据库的分布式事务的,不过现在最常用的协议是 XA 协议。这个协议是 X/Open 国际联盟基于二阶段提交协议提出的,也叫作 X/Open Distributed Transaction Processing(DTP)模型,比如 MySQL 就是通过 MySQL XA 实现了分布式事务。

2PC分为两个阶段:投票阶段提交阶段,我们来详细看下。

2.1 事务过程

二阶段提交协议,包含两类节点:

  • 一个中心化协调者节点(coordinator),一般也叫做事务协调者
  • 多个参与者节点(participant、cohort),一般也叫做事务参与者

二阶段提交协议的每一次事务提交过程如下:

投票阶段(commit-request phase / voting phase)

  1. 事务协调者请所有事务参与者进行投票:是否可以提交事务,然后等待所有参与者的投票结果;
  2. 参与者如果投票表示可以提交事务,那么就必须预留本地资源(执行本地事务),然后响应YES,后续也不再允许放弃事务;如果不能,就返回NO响应;
  3. 如果协调者接受某个参与者的响应超时,它会认为该参与者投票为NO,即预留资源失败。


提交阶段(commit phase)

在该阶段,事务协调者将基于投票阶段的投票结果进行决策:提交或取消各参与者的本地事务

  1. 仅当所有参与者都返回 YES 响应时,协调者才向所有参与者发出提交请求,此时所有参与者必须保证提交事务成功;
  2. 如果投票阶段中任意一个参与者返回 No 响应,则协调者向所有参与者发出回滚请求,所有参与者进行回滚操作。

两阶段提交协议成功场景示意图:



2PC假设所有节点都采用预写式日志(Write-Ahead Logging)来写数据,且日志写入后不会丢失。WAL 的核心思想就是先写日志,再写数据。

2.2 优缺点

优点:

  1. 强一致性,因为一阶段预留了资源,所有只要节点或者网络最终恢复正常,协议就能保证二阶段执行成功;
  2. 业界标准支持,二阶段协议在业界有标准规范——XA 规范,许多数据库和框架都有针对XA规范的分布式事务实现。

缺点:

  1. 在提交请求阶段,需要预留资源,在资源预留期间,其他人不能操作(比如,XA 在第一阶段会将相关资源锁定) ,会造成分布式系统吞吐量大幅下降;
  2. 容错能力较差,比如在节点宕机或者超时的情况下,无法确定流程的状态,只能不断重试,同时这也会导致事务在访问共享资源时发生冲突和死锁的概率增高,随着数据库节点的增多,这种趋势会越来越严重,从而成为系统在数据库层面上水平伸缩的"枷锁";

2PC分布式事务方案,比较适合单体应用跨多库的场景,一般用spring + JTA就可以实现。但是因为严重依赖于数据库层面来搞定复杂的事务,效率很低,所以绝对不适合高并发的场景。

注意:一般来说,如果某个服务内部出现跨多库的直接操作,其实是不合规的。 按照分布式服务治理的规范,一个分布式系统,拆成几十个服务,每个服务只能操作自己对应的一个数据库,如果需要操作别的服务对应的库,不允许直连库,必须通过调用别的服务的接口来实现。

三、总结

二阶段提交协议,虽然是目前分布式事务的事实规范,但实际应用并不多。不过2PC是一种非常经典的思想,Paxos、Raft 等强一致性算法,都采用了二阶段提交操作。所以,读者应当理解该协议背后的二阶段提交的思想,当后续需要时,能灵活地根据二阶段提交思想,设计新的事务或一致性协议。

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