Java-Theorie verteilter Transaktionsanwendungen in der Microservice-Architektur

Einführung:

Verteilte Transaktionen sind eine häufige Herausforderung in Microservice-Architekturen. Aufgrund der geteilten und verteilten Bereitstellung von Mikrodiensten werden Transaktionsvorgänge über mehrere Dienste hinweg komplexer. In diesem Artikel werden das Konzept verteilter Transaktionen, Anwendungsszenarien und Lösungen im Bereich Microservices diskutiert.

1. Was ist eine verteilte Transaktion?

Verteilte Transaktionen beziehen sich auf Transaktionsvorgänge, an denen mehrere unabhängige Dienste oder Systeme beteiligt sind, die sich auf verschiedenen physischen Knoten befinden können. Bei einer verteilten Transaktion werden entweder alle Vorgänge erfolgreich ausgeführt oder alle Vorgänge werden zurückgesetzt, um die Datenkonsistenz und -zuverlässigkeit sicherzustellen.

2. Herausforderungen verteilter Transaktionen

In der Microservice-Architektur stehen verteilte Transaktionen vor folgenden Herausforderungen:

Datenkonsistenz: Stellen Sie die Konsistenz von Datenvorgängen über mehrere Dienste hinweg sicher und vermeiden Sie Dateninkonsistenzen.
Fehlerbehebung: Behandeln Sie ungewöhnliche Situationen wie Netzwerkausfälle und Dienstausfälle, um die korrekte Ausführung von Transaktionen sicherzustellen.
Leistung und Skalierbarkeit: In Szenarien mit hoher Parallelität ist die Leistung und Skalierbarkeit verteilter Transaktionen ein zentrales Thema.

3. Anwendungsszenarien verteilter Transaktionen

Zu den Anwendungsszenarien verteilter Transaktionen in der Microservice-Architektur gehören:

Geschäftsabläufe über mehrere Dienste hinweg, wie z. B. Auftragszahlung, Bestandsverwaltung usw.
Die Konsistenz von Datenbankoperationen und Nachrichtenwarteschlangen gewährleistet die Datensynchronisierung zwischen Datenbanken und Nachrichtenwarteschlangen.
Verteilte Cache-Vorgänge über Dienste hinweg, um die Konsistenz der zwischengespeicherten Daten sicherzustellen.

4. Verteilte Transaktionslösung

Die folgenden sind häufig verwendete Lösungen für verteilte Transaktionen:

4.1. Eventuelle Konsistenz basierend auf der Nachrichtenwarteschlange

Verwenden Sie Nachrichtenwarteschlangen als Middleware, um Transaktionsvorgänge in das Senden und Empfangen von Nachrichten umzuwandeln. Durch asynchrone Verarbeitung und Nachrichtenkompensationsmechanismen wird die endgültige Konsistenz gewährleistet. Zu den häufig verwendeten Nachrichtenwarteschlangen gehören Apache Kafka und RabbitMQ.

4.2. Basierend auf dem zweiphasigen Commit-Protokoll

Basierend auf dem Zwei-Phasen-Commit-Protokoll (Two-Phase Commit, kurz 2PC genannt) handelt es sich um eine klassische verteilte Transaktionslösung. Es umfasst die beiden Rollen Koordinator und Teilnehmer.

Bei 2PC ist der Koordinator für die Koordinierung der Transaktionsvorgänge aller Teilnehmer verantwortlich. Der spezifische Prozess ist wie folgt:

1. Vorbereitungsphase:

Der Koordinator sendet eine Anfrage zur Transaktionsvorbereitung an alle Teilnehmer.
Die Teilnehmer führen Transaktionsvorgänge aus und geben die Ausführungsergebnisse und den Vorbereitungsstatus (vorbereitet/abgebrochen) an den Koordinator zurück.

2. Commit-Phase:

Wenn alle Teilnehmer den Transaktionsvorgang erfolgreich ausführen und den vorbereiteten Zustand wie vorbereitet zurückgeben, sendet der Koordinator eine Commit-Anfrage an alle Teilnehmer.
Nach Erhalt der Festschreibungsanforderung führt der Teilnehmer die Transaktionsfestschreibungsoperation aus und gibt den Festschreibungsstatus (festgeschrieben/abgebrochen) an den Koordinator zurück.

3. Endphase:

Der Koordinator bestimmt den endgültigen Status der Transaktion (festgeschrieben/abgebrochen) basierend auf dem Festschreibungsstatus der Teilnehmer.
Der Koordinator sendet eine Benachrichtigung über den Endzustand an alle Teilnehmer.
Die Teilnehmer führen entsprechende Vorgänge entsprechend dem Endzustand durch und geben Ressourcen frei.

Der Vorteil von 2PC besteht darin, dass es leicht zu verstehen ist und die Konsistenz verteilter Transaktionen gewährleisten kann. Allerdings hat es auch einige Nachteile:

Blockierung: Während der Vorbereitungsphase blockieren alle Teilnehmer und warten auf die Anweisungen des Koordinators. Wenn der Koordinator ausfällt oder das Netzwerk abnormal ist, werden die Teilnehmer immer blockiert.
Single Point of Failure: Der Koordinator als zentraler Kontrollknoten führt im Fehlerfall dazu, dass die gesamte verteilte Transaktion fehlschlägt.
Leistung: 2PC weist einen gewissen Leistungsaufwand auf, insbesondere bei großen Transaktionen und Szenarien mit hoher Parallelität.

4.3. Saga-Modus

Der Saga-Modus ist eine verteilte Transaktionslösung, die auf einem Kompensationsmechanismus basiert. Es teilt eine große Transaktion in mehrere kleine Teiltransaktionen auf und behandelt Transaktionsfehler mit kompensierenden Operationen.

Im Saga-Modus gibt es für jede Teiltransaktion eine entsprechende Kompensationsoperation. Wenn eine Teiltransaktion fehlschlägt, wird die entsprechende Kompensationsoperation ausgelöst, um die vorherige Operation rückgängig zu machen und die Datenkonsistenz aufrechtzuerhalten.

Zu den Vorteilen des Saga-Modus gehören:

Asynchrone Ausführung: Jede Teiltransaktion kann asynchron ausgeführt werden, um die Systemleistung und den Durchsatz zu verbessern.
Fehlertoleranz: Durch die Einführung des Kompensationsmechanismus kann eine Teiltransaktion selbst dann, wenn sie fehlschlägt, durch Kompensationsvorgänge in einen konsistenten Zustand zurückversetzt werden.

5. Tools und Frameworks

5.1. Frühlingswolke

Spring Cloud ist ein auf Spring Boot basierendes Microservice-Framework, das eine Fülle verteilter Tools und Komponenten für die Systementwicklung bereitstellt. Bei der Implementierung verteilter Transaktionen stellt Spring Cloud die folgenden Schlüsselkomponenten bereit:

Spring Cloud Netflix Eureka: Wird zur Dienstregistrierung und -erkennung verwendet, um sicherzustellen, dass Microservices in einer Transaktion miteinander kommunizieren können.
Spring Cloud Netflix Ribbon: Bietet Client-Lastausgleich, um sicherzustellen, dass Anforderungen an mehrere Dienstinstanzen verteilt werden können.
Spring Cloud Netflix Hystrix: Implementieren Sie Servicefehlertoleranz und -verschlechterung und behandeln Sie Fehlerbedingungen in verteilten Transaktionen.
Spring Cloud OpenFeign: Vereinfacht HTTP-Aufrufe zwischen Diensten und integriert Ribbon und Hystrix.

Durch die Kombination verschiedener Komponenten von Spring Cloud können verteilte Transaktionen bequemer in der Microservice-Architektur implementiert werden.

5.2. Atomikos

Atomikos ist ein Open-Source-Java-Transaktionsmanager, der leistungsstarke verteilte Transaktionsunterstützung bietet. Es kann in verschiedene gängige Datenbanken und Nachrichtenwarteschlangensysteme integriert werden, darunter MySQL, Oracle, ActiveMQ usw.

Atomikos bietet verteilte Transaktionsunterstützung basierend auf dem XA-Protokoll, wodurch die Konsistenz und Isolierung von Transaktionsvorgängen zwischen mehreren Ressourcen (Datenbanken, Nachrichtenwarteschlangen usw.) sichergestellt werden kann. Es bietet außerdem Unterstützung für Container-Transaktionen (JTA) und Nicht-Container-Transaktionen (JDBC), die für verschiedene Anwendungsszenarien geeignet sind.

5.3. Narayana

Narayana ist ein von JBoss entwickelter Open-Source-Transaktionsmanager, der auch leistungsstarke verteilte Transaktionsunterstützung bietet. Es unterstützt mehrere Transaktionsmodelle, einschließlich XA, WS-AT und BA. Narayana kann in verschiedene Datenbanken und Nachrichtenwarteschlangensysteme wie MySQL, PostgreSQL, ActiveMQ usw. integriert werden.

Narayana bietet umfangreiche APIs und Tools, mit denen Entwickler verteilte Transaktionen flexibler verwalten können. Es unterstützt auch Container-Transaktionen (JTA) und Nicht-Container-Transaktionen (JDBC), die sich an verschiedene Anwendungsszenarien und Anforderungen anpassen lassen.

6. Best Practices und Überlegungen

Vermeiden Sie verteilte Transaktionen mit langer Laufzeit: Verteilte Transaktionen mit langer Laufzeit erhöhen das Fehlerrisiko und den Leistungsaufwand. Versuchen Sie, die Transaktion in kurze Teiltransaktionen aufzuteilen.
Asynchrone Nachrichten- und ereignisgesteuerte Methoden: Die Verwendung von Nachrichtenwarteschlangen- und ereignisgesteuerten Methoden zur Implementierung verteilter Transaktionen kann die Skalierbarkeit und Leistung des Systems verbessern.
Verwenden Sie eine geeignete Konsistenzstufe: Wählen Sie eine geeignete Konsistenzstufe basierend auf den Geschäftsanforderungen, z. B. starke Konsistenz, eventuelle Konsistenz oder serialisierbar.
Geeigneter Kompensationsmechanismus: Stellen Sie bei Verwendung des Saga-Modus oder anderer Kompensationsmechanismen sicher, dass jede lokale Transaktion über eine entsprechende Kompensationsoperation verfügt, um abnormale Situationen zu bewältigen und die Datenkonsistenz aufrechtzuerhalten.
Überwachung und Protokollierung: Richten Sie einen vollständigen Überwachungs- und Protokollierungsmechanismus ein, um Probleme bei verteilten Transaktionen rechtzeitig zu erkennen und zu lösen und so die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems sicherzustellen.
Entwurf mit hoher Verfügbarkeit und Fehlertoleranz: Berücksichtigen Sie beim Entwurf der Microservice-Architektur hohe Verfügbarkeit und Fehlertoleranz und behandeln Sie Fehler in verteilten Transaktionen durch redundante Bereitstellung von Diensten und Fehlerwiederherstellungsmechanismen.
Aufteilung der Transaktionsgrenzen: Teilen Sie die Transaktionsgrenzen angemessen auf, ordnen Sie verwandte Geschäftsvorgänge in derselben Transaktion ein und vermeiden Sie die Komplexität des Überschreitens mehrerer Transaktionsgrenzen.
Wiederherstellbare Transaktionsvorgänge: Stellen Sie bei verteilten Transaktionen sicher, dass Transaktionsvorgänge wiederhergestellt werden können, auch wenn Fehler oder Ausnahmen auftreten. Kompensations- oder Rollback-Vorgänge können zur Wiederherstellung eines konsistenten Zustands verwendet werden.

Zusammenfassen:

Verteilte Transaktionen stellen in einer Microservices-Architektur ein herausforderndes Problem dar, es stehen jedoch zahlreiche Tools und Lösungen zur Verfügung. Im Bereich Java und Microservices bieten Tools und Frameworks wie Spring Cloud, Atomikos und Narayana leistungsstarke verteilte Transaktionsunterstützung. Gleichzeitig können uns ein angemessenes Architekturdesign, eine Aufteilung der Transaktionsgrenzen und die Anwendung von Kompensationsmechanismen dabei helfen, das Problem verteilter Transaktionen effektiv zu lösen und die Datenkonsistenz und Zuverlässigkeit des Systems sicherzustellen. Das Wichtigste ist, die Erfahrungen und Lehren aus der Praxis ständig zusammenzufassen und je nach Szenario die am besten geeignete Lösung auszuwählen.