事务的 ACID 原则

CAP 定理

1998年，加州大学的计算机科学家 Eric Brewer 提出，分布式系统有三个指标：

• Consistency（一致性）
• Availability（可用性）
• Partition tolerance （分区容错性）

Eric Brewer 说：分布式系统无法同时满足这三个指标，这个结论就叫做 CAP 定理。

分布式系统节点通过网络连接，一定会出现分区问题（P）。
当分区出现时，系统的一致性（C）和可用性（A）就无法同时满足。

Consistency（一致性）

Consistency（一致性）：用户访问分布式系统中的任意节点，得到的数据必须一致。

Availability（可用性）

Availability （可用性）：用户访问集群中的任意健康节点，必须能得到响应，而不是超时或拒绝。

CAP定理-Partition tolerance

Partition（分区）：因为网络故障或其它原因导致分布式系统中的部分节点与其它节点失去连接，形成独立分区。
Tolerance（容错）：在集群出现分区时，整个系统也要持续对外提供服务。

BASE理论

BASE 理论是对 CAP 的一种解决思路，包含三个思想：

• Soft State（软状态）：在一定时间内，允许出现中间状态，比如临时的不一致状态。
• Eventually Consistent（最终一致性）：虽然无法保证强一致性，但是在软状态结束后，最终达到数据一致。

而分布式事务最大的问题是各个子事务的一致性问题，因此可以借鉴 CAP 定理和 BASE 理论：

• AP 模式：各子事务分别执行和提交，允许出现结果不一致，然后采用弥补措施恢复数据即可，实现最终一致。
• CP 模式：各个子事务执行后互相等待，同时提交，同时回滚，达成强一致。但事务等待过程中，处于弱可用状态。

分布式事务模型

解决分布式事务，各个子系统之间必须能感知到彼此的事务状态，才能保证状态一致，因此需要一个事务协调者来协调每一个事务的参与者（子系统事务）。
这里的子系统事务，称为分支事务；有关联的各个分支事务在一起称为全局事务。

初识 Seata

Seata 是 2019 年 1 月份蚂蚁金服和阿里巴巴共同开源的分布式事务解决方案。
致力于提供高性能和简单易用的分布式事务服务，为用户打造一站式的分布式解决方案。

官网地址：其中的文档、播客中提供了大量的使用说明、源码分析。

Seata 的架构

Seata 事务管理中有三个重要的角色：

• TC (Transaction Coordinator) - 事务协调者：维护全局和分支事务的状态，协调全局事务提交或回滚。
• TM (Transaction Manager) - 事务管理器：定义全局事务的范围、开始全局事务、提交或回滚全局事务。
• RM (Resource Manager) - 资源管理器：管理分支事务处理的资源，与 TC 交谈以注册分支事务和报告分支事务的状态，并驱动分支事务提交或回滚。

Seata 提供了四种不同的分布式事务解决方案：

• XA 模式：强一致性分阶段事务模式，牺牲了一定的可用性，无业务侵入。
• TCC 模式：最终一致的分阶段事务模式，有业务侵入。
• AT 模式：最终一致的分阶段事务模式，无业务侵入，也是Seata的默认模式。
• SAGA 模式：长事务模式，有业务侵入。

部署TC服务

下载 seata-server 包，地址在 下载中心。
修改 conf 目录下的 registry.conf 文件：

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 = "SH"
    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"
  }
}

1. 在 Nacos 添加配置

特别注意，为了让 TC 服务的集群可以共享配置，我们选择了 Nacos 作为统一配置中心。
因此服务端配置文件 seataServer.properties 文件需要在 Nacos 中配置完整。

# 数据存储方式，db代表数据库
store.mode=db
store.db.datasource=druid
store.db.dbType=mysql
store.db.driverClassName=com.mysql.jdbc.Driver
store.db.url=jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/seata?useUnicode=true&rewriteBatchedStatements=true
store.db.user=root
store.db.password=123
store.db.minConn=5
store.db.maxConn=30
store.db.globalTable=global_table
store.db.branchTable=branch_table
store.db.queryLimit=100
store.db.lockTable=lock_table
store.db.maxWait=5000
# 事务、日志等配置
server.recovery.committingRetryPeriod=1000
server.recovery.asynCommittingRetryPeriod=1000
server.recovery.rollbackingRetryPeriod=1000
server.recovery.timeoutRetryPeriod=1000
server.maxCommitRetryTimeout=-1
server.maxRollbackRetryTimeout=-1
server.rollbackRetryTimeoutUnlockEnable=false
server.undo.logSaveDays=7
server.undo.logDeletePeriod=86400000

# 客户端与服务端传输方式
transport.serialization=seata
transport.compressor=none
# 关闭metrics功能，提高性能
metrics.enabled=false
metrics.registryType=compact
metrics.exporterList=prometheus
metrics.exporterPrometheusPort=9898

2. 创建数据库表

TC 服务在管理分布式事务时，需要记录事务相关数据到数据库中，你需要提前创建好这些表。

SET NAMES utf8mb4;
SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 0;

-- ----------------------------
-- 分支事务表
-- ----------------------------
DROP TABLE IF EXISTS `branch_table`;
CREATE TABLE `branch_table`  (
  `branch_id` bigint(20) NOT NULL,
  `xid` varchar(128) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NOT NULL,
  `transaction_id` bigint(20) NULL DEFAULT NULL,
  `resource_group_id` varchar(32) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `resource_id` varchar(256) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `branch_type` varchar(8) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `status` tinyint(4) NULL DEFAULT NULL,
  `client_id` varchar(64) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `application_data` varchar(2000) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `gmt_create` datetime(6) NULL DEFAULT NULL,
  `gmt_modified` datetime(6) NULL DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`branch_id`) USING BTREE,
  INDEX `idx_xid`(`xid`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_general_ci ROW_FORMAT = Compact;

-- ----------------------------
-- 全局事务表
-- ----------------------------
DROP TABLE IF EXISTS `global_table`;
CREATE TABLE `global_table`  (
  `xid` varchar(128) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NOT NULL,
  `transaction_id` bigint(20) NULL DEFAULT NULL,
  `status` tinyint(4) NOT NULL,
  `application_id` varchar(32) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `transaction_service_group` varchar(32) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `transaction_name` varchar(128) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `timeout` int(11) NULL DEFAULT NULL,
  `begin_time` bigint(20) NULL DEFAULT NULL,
  `application_data` varchar(2000) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `gmt_create` datetime NULL DEFAULT NULL,
  `gmt_modified` datetime NULL DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`xid`) USING BTREE,
  INDEX `idx_gmt_modified_status`(`gmt_modified`, `status`) USING BTREE,
  INDEX `idx_transaction_id`(`transaction_id`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_general_ci ROW_FORMAT = Compact;

SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 1;

微服务集成 Seata

1. 微服务中引入 seata 依赖：

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-seata</artifactId>
    <exclusions>
        <!--版本较低，1.3.0，因此排除-->
        <exclusion>
            <artifactId>seata-spring-boot-starter</artifactId>
            <groupId>io.seata</groupId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<!--seata starter 采用1.4.2版本-->
<dependency>
    <groupId>io.seata</groupId>
    <artifactId>seata-spring-boot-starter</artifactId>
    <version>${seata.version}</version>
</dependency>

2. 修改配置文件

seata:
  registry: # TC服务注册中心的配置，微服务根据这些信息去注册中心获取tc服务地址
    # 参考tc服务自己的registry.conf中的配置
    type: nacos
    nacos: # tc
      server-addr: 127.0.0.1:8848
      namespace: ""
      group: DEFAULT_GROUP
      application: seata-tc-server # tc服务在nacos中的服务名称
      cluster: SH
  tx-service-group: seata-demo # 事务组，根据这个获取tc服务的cluster名称
  service:
    vgroup-mapping: # 事务组与TC服务cluster的映射关系
      seata-demo: SH

动手实践

XA 模式原理

Seata 的 XA 模式。

RM 一阶段的工作：

• 注册分支事务到 TC。
• 执行分支业务 Sql，但不提交。
• 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。
• 如果都成功，通知所有 RM 提交事务。
• 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。

实现 XA 模式

Seata 的 starter 已经完成了 XA 模式的自动装配。

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。

    @Override
    @GlobalTransactional
    public Long create(Order order) {
        // 创建订单
        orderMapper.insert(order);
        try {
            // 扣用户余额
            accountClient.deduct(order.getUserId(), order.getMoney());
            // 扣库存
            storageClient.deduct(order.getCommodityCode(), order.getCount());

        } catch (FeignException e) {
            log.error("下单失败，原因:{}", e.contentUTF8(), e);
            throw new RuntimeException(e.contentUTF8(), e);
        }
        return order.getId();
    }
}

AT 模式原理

AT 模式同样是分阶段提交的事务模型，不过却弥补了 XA 模型中资源锁定周期过长的缺陷。
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。
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。
框架的快照功能会影响性能，但比 XA 模式要好很多。

一阶段：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。

二阶段：提交时 RM 的工作

• 删除 undo-log 即可或根据 undo-log 恢复数据到更新前。

例如：一个分支业务的 SQL 是这样的update tb_account set money = money - 10 where id = 1

AT 模式的脏写问题

AT 模式的写隔离

同在 Seata 管理事务下会用到全局锁。
全局锁：由 TC 记录当前正在操作某行数据的事务，该事务持有全局锁，具备执行权。

非 Seata 管理的全局事务操作数据时， AT 模式会用 before 快照和 after 快照和被修改后的数据做对比，数据异常发送警告。

实践 AT 模式

1. 导入 SQL

/*
 Navicat Premium Data Transfer

 Source Server         : local
 Source Server Type    : MySQL
 Source Server Version : 50622
 Source Host           : localhost:3306
 Source Schema         : seata_demo

 Target Server Type    : MySQL
 Target Server Version : 50622
 File Encoding         : 65001

 Date: 20/06/2021 12:39:03
*/

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

TCC 模式原理

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。

第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。
有代码侵入，需要人为编写 Try、Confirm 和 Cancel 接口，太麻烦。
TCC 模式是软状态，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。

TCC 实现分布式事务

TCC 的空回滚和业务悬挂

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。

对于已经空回滚的业务，如果以后继续执行Try，就永远不可能Confirm或Cancel，这就是业务悬挂。应当阻止执行空回滚后的Try操作，避免悬挂。

为了实现空回滚、防止业务悬挂，以及幂等性要求。我们必须在数据库记录冻结金额的同时，记录当前事务 id 和执行状态，为此添加一张表：

/*
 Navicat Premium Data Transfer

 Source Server         : local
 Source Server Type    : MySQL
 Source Server Version : 50622
 Source Host           : localhost:3306
 Source Schema         : seata_demo

 Target Server Type    : MySQL
 Target Server Version : 50622
 File Encoding         : 65001

 Date: 23/06/2021 16:23:20
*/

SET NAMES utf8mb4;
SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 0;

-- ----------------------------
-- Table structure for account_freeze_tbl
-- ----------------------------
DROP TABLE IF EXISTS `account_freeze_tbl`;
CREATE TABLE `account_freeze_tbl`  (
  `xid` varchar(128) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NOT NULL,
  `user_id` varchar(255) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NULL DEFAULT NULL,
  `freeze_money` int(11) UNSIGNED NULL DEFAULT 0,
  `state` int(1) NULL DEFAULT NULL COMMENT '事务状态，0:try，1:confirm，2:cancel',
  PRIMARY KEY (`xid`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_general_ci ROW_FORMAT = COMPACT;

-- ----------------------------
-- Records of account_freeze_tbl
-- ----------------------------

SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 1;

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，语法如下：

@LocalTCC
public interface AccountTCCService {

    /**
     * Try逻辑，@TwoPhaseBusinessAction中的name属性要与当前方法名一致，用于指定Try逻辑对应的方法
     * @param userId
     * @param money
     */
    @TwoPhaseBusinessAction(name = "deduct", commitMethod = "confirm", rollbackMethod = "cancel")
    void deduct(@BusinessActionContextParameter(paramName = "userId") String userId,
                @BusinessActionContextParameter(paramName = "money")int money);

    /**
     * 二阶段confirm确认方法、可以另命名，但要保证与commitMethod一致 
     * @param ctx
     * @return
     */
    boolean confirm(BusinessActionContext ctx);

    /**
     * 二阶段回滚方法，要保证与rollbackMethod一致
     * @param ctx
     * @return
     */
    boolean cancel(BusinessActionContext ctx);
}

AccountTCCService 实现类。

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();
        //判断freeze中是否有冻结记录
        AccountFreeze accountFreeze = freezeMapper.selectById(xid);
        if (accountFreeze != null){
            return;
        }
        // 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();
        String userId = ctx.getActionContext("userId").toString();
        AccountFreeze freeze = freezeMapper.selectById(xid);

        //空回滚判断，freeze == null 证明 try 没有执行需要回滚
        if(freeze == null){
            freeze = new AccountFreeze();
            freeze.setUserId(userId);
            freeze.setFreezeMoney(0);
            freeze.setState(AccountFreeze.State.CANCEL);
            freeze.setXid(xid);
            freezeMapper.insert(freeze);
        }
        // 幂等判断
        if (freeze.getState() == AccountFreeze.State.CANCEL){
            // 已经处理过
            return true;
        }

        // 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;
    }
}

Saga 模式

Saga 模式是 SEATA 提供的长事务解决方案。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。

Saga 模式优点：

• 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。

Saga 模式缺点:

• 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。

四种模式对比