分布式事务 --- Seata事务模式、高可用

一、事务模式

1.1、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。

1.1.1、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：

异常情况：

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

1.1.2、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：

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

1.1.3、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

1.1.4、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:

1.2、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。

1.2.1、Seata的AT模型

基本流程图：

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

1.2.2、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：

id	money
1	100

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：

  

1.2.3、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

1.2.4、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：

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。  

1.2.5、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

1.2.6、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，undo_log表导入到微服务关联的数据库：

SET NAMES utf8mb4;
SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 0;

-- ----------------------------
-- Table structure for undo_log
-- ----------------------------
DROP TABLE IF EXISTS `undo_log`;
CREATE TABLE `undo_log`  (
  `branch_id` bigint(20) NOT NULL COMMENT 'branch transaction id',
  `xid` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NOT NULL COMMENT 'global transaction id',
  `context` varchar(128) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci 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 INDEX `ux_undo_log`(`xid`, `branch_id`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_general_ci COMMENT = 'AT transaction mode undo table' ROW_FORMAT = Compact;

-- ----------------------------
-- Records of undo_log
-- ----------------------------

-- ----------------------------
-- Table structure for lock_table
-- ----------------------------
DROP TABLE IF EXISTS `lock_table`;
CREATE TABLE `lock_table`  (
  `row_key` varchar(128) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NOT NULL,
  `xid` varchar(96) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `transaction_id` bigint(20) NULL DEFAULT NULL,
  `branch_id` bigint(20) NOT NULL,
  `resource_id` varchar(256) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `table_name` varchar(32) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `pk` varchar(36) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `gmt_create` datetime NULL DEFAULT NULL,
  `gmt_modified` datetime NULL DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`row_key`) USING BTREE,
  INDEX `idx_branch_id`(`branch_id`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_general_ci ROW_FORMAT = Compact;


SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 1;

 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

1.3、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。

  

1.3.1、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

初始余额：

余额充足，可以冻结：

 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：

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：

1.3.2、Seata的TCC模型

Seata中的TCC模型依然延续之前的事务架构，如图：

1.3.3、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

1.3.4、事务悬挂和空回滚

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：

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。  

---

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

1.3.5、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：

@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

@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;
    }
}

  

1.4、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：Seata Saga 模式

1.4.1、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。

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

  

1.4.2、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

1.5、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

如图：

  

二、高可用

Seata的TC服务作为分布式事务核心，一定要保证集群的高可用性。

2.1、高可用架构模型

搭建TC服务集群非常简单，启动多个TC服务，注册到nacos即可。

但集群并不能确保100%安全，万一集群所在机房故障怎么办？所以如果要求较高，一般都会做异地多机房容灾。

比如一个TC集群在上海，另一个TC集群在杭州：

微服务基于事务组（tx-service-group)与TC集群的映射关系，来查找当前应该使用哪个TC集群。当SH集群故障时，只需要将vgroup-mapping中的映射关系改成HZ。则所有微服务就会切换到HZ的TC集群了。

2.2、实现高可用

1、模拟异地容灾的TC集群

计划启动两台seata的tc服务节点：

节点名称	ip地址	端口号	集群名称
seata	127.0.0.1	8091	SH
seata2	127.0.0.1	8092	HZ

之前我们已经启动了一台seata服务，端口是8091，集群名为SH。

现在，将seata目录复制一份，起名为seata2

修改seata2/conf/registry.conf内容如下：

registry {
  # tc服务的注册中心类，这里选择nacos，也可以是eureka、zookeeper等
  type = "nacos"

  nacos {
    # seata tc 服务注册到 nacos的服务名称，可以自定义
    application = "seata-tc-server"
    serverAddr = "127.0.0.1:8848"
    group = "DEFAULT_GROUP"
    namespace = ""
    cluster = "HZ"
    username = "nacos"
    password = "nacos"
  }
}

config {
  # 读取tc服务端的配置文件的方式，这里是从nacos配置中心读取，这样如果tc是集群，可以共享配置
  type = "nacos"
  # 配置nacos地址等信息
  nacos {
    serverAddr = "127.0.0.1:8848"
    namespace = ""
    group = "SEATA_GROUP"
    username = "nacos"
    password = "nacos"
    dataId = "seataServer.properties"
  }
}

进入seata2/bin目录，然后运行命令：

seata-server.bat -p 8092

打开nacos控制台，查看服务列表：

点进详情查看：

2、将事务组映射配置到nacos

接下来，我们需要将tx-service-group与cluster的映射关系都配置到nacos配置中心。

新建一个配置：

配置的内容如下：

# 事务组映射关系
service.vgroupMapping.seata-demo=SH

service.enableDegrade=false
service.disableGlobalTransaction=false
# 与TC服务的通信配置
transport.type=TCP
transport.server=NIO
transport.heartbeat=true
transport.enableClientBatchSendRequest=false
transport.threadFactory.bossThreadPrefix=NettyBoss
transport.threadFactory.workerThreadPrefix=NettyServerNIOWorker
transport.threadFactory.serverExecutorThreadPrefix=NettyServerBizHandler
transport.threadFactory.shareBossWorker=false
transport.threadFactory.clientSelectorThreadPrefix=NettyClientSelector
transport.threadFactory.clientSelectorThreadSize=1
transport.threadFactory.clientWorkerThreadPrefix=NettyClientWorkerThread
transport.threadFactory.bossThreadSize=1
transport.threadFactory.workerThreadSize=default
transport.shutdown.wait=3
# RM配置
client.rm.asyncCommitBufferLimit=10000
client.rm.lock.retryInterval=10
client.rm.lock.retryTimes=30
client.rm.lock.retryPolicyBranchRollbackOnConflict=true
client.rm.reportRetryCount=5
client.rm.tableMetaCheckEnable=false
client.rm.tableMetaCheckerInterval=60000
client.rm.sqlParserType=druid
client.rm.reportSuccessEnable=false
client.rm.sagaBranchRegisterEnable=false
# TM配置
client.tm.commitRetryCount=5
client.tm.rollbackRetryCount=5
client.tm.defaultGlobalTransactionTimeout=60000
client.tm.degradeCheck=false
client.tm.degradeCheckAllowTimes=10
client.tm.degradeCheckPeriod=2000

# undo日志配置
client.undo.dataValidation=true
client.undo.logSerialization=jackson
client.undo.onlyCareUpdateColumns=true
client.undo.logTable=undo_log
client.undo.compress.enable=true
client.undo.compress.type=zip
client.undo.compress.threshold=64k
client.log.exceptionRate=100

3、微服务读取nacos配置

接下来，需要修改每一个微服务的application.yml文件，让微服务读取nacos中的client.properties文件：

seata:
  config:
    type: nacos
    nacos:
      server-addr: 127.0.0.1:8848
      username: nacos
      password: nacos
      group: SEATA_GROUP
      data-id: client.properties

重启微服务，现在微服务到底是连接tc的SH集群，还是tc的HZ集群，都统一由nacos的client.properties来决定了。