2PC（两阶段提交）【XA 与 Seata方案】

一、概述

2PC（two phase commit protocol，2PC）即两阶段提交协议，是将整个事务流程分为两个阶段，准备阶段（Prepare phase）、提交阶段（Commit phase），2指两个阶段，P指准备阶段，C指提交阶段。整个事务过程由事务管理器和参与者组成，事务管理器负责决策整个分布式事务的提交和回滚，事务参与者负责自己本地事务的提交和回滚。在计算机中部分关系数据库如 Oracle、MySQL 都支持两阶段提交协议。下面是计算机数据库进行两阶段提交的说明：
【1】准备阶段（Prepare phase）：事务管理器给每个参与者 Prepare 消息，每个数据库参与者在本地执行事务，并写本地的 Undo/Redo 日志，此时事务没有提交。（Undo 日志是记录修改的数据，用于数据回滚，Redo 日志是记录修改后的数据，用于提交事务后写入数据文件）
【2】提交阶段（Commit phase）：如果事务管理器收到了参与者的执行失败或者超时消息，直接给每个参与者发送回滚（Rollback）消息；否则，发送提交（Commit）消息；参与者根据事务管理器的执行提交或者回滚操作，并释放事务处理过程中使用的锁资源。注意：必须在最后阶段释放资源。
【成功情况】：

【失败情况】：

二、解决方案【XA】

2PC 的传统方案是在数据库层面实现的，如 Oracle、MySQL都支持 2PC协议，为了统一标准减少行业内不必要的对接成本，需要制定标准化的处理模型及接口标准，国际开放标准组织Open Group 定义了分布式事务处理模型 DTP（Distributed Transaction Processing Reference Model）。
【举个例子】：新用户注册送积分

【执行流程】：【1】应用程序（AP)持有用户库和积分库两个数据源；
【2】应用程序（AP）通过事务管理器（TM）通知用户库 RM 新增用户，同时通知积分库 RM 位该用户新增积分，RM此时并未提交事务，此时用户和积分资源锁定；
【3】TM 收到执行回复，只要有一方失败则分别向其他 RM 发起回滚事务，回滚完毕，资源锁释放；
【4】TM 收到执行回复，全部成功，此时向所有 RM发起提交事务,提交完毕，资源锁释放；
【DTP 模型定义如下角色】：【1】AP（Application Program）：即应用程序，可以理解为使用 DTP分布式事务的程序；
【2】RM（Resource Manager）：即资源管理器，可以理解为事务的参与者，一般情况下是指一个数据库实例，通过资源管理器对该数据库进行控制，资源管理器控制着分支事务；
【3】TM（Transaction Manager）：事务管理器，负责协调和管理事务，事务管理器控制着全局事务，管理事务生命周期，并协调各个 RM。全局事务是指分布式事务处理环境中，需要操作多个数据库共同完成一个工作，这个工作既是一个全局事务；
【4】DTP模型定义 TM和 RM之间通讯的接口规范叫 XA，简单理解为数据库提供的 2PC接口协议，基于数据库的XA协议来实现2PC又称为XA方案；
【以上三个角色之间的交互方式如下】：
【1】TM 向 AP 提供应用程序编程接口，AP通过 TM提交及回滚事务；
【2】TM交易中间键通过 XA 接口来通知 RM数据库事务的开始、结束以及提交、回滚等操作；
【总结】：整个 2PC的事务流程涉及到三个角色 AP、RM、TM。AP 指的是使用 2PC分布式事务的应用程序。RM指的是资源管理器，它控制着分支事务。TM 指的是事务管理器，它控制整个事务。
【1】在准备阶段 RM执行实际业务操作，但不提交事务，资源锁定；
【2】在提交阶段 TM会接收 RM在准备阶段的执行回复，只要有一个执行失败，TM会通知所有 RM执行回滚操作，否则，TM会通知所有 RM提交事务。提交阶段结束资源锁释放。
【XA方案的问题】：【1】需要本地数据库支持 XA协议；
【2】资源锁需要等到两个阶段结束才释放，性能较差；

三、解决方案【Seata】

Seata 是由阿里中间件团队发起的开源项目 Fescar，后更名为 Seata，它是一个是开源的分布式事务框架。传统 2PC的问题在 Seata中得到了解决，它通过对本地关系数据库的分支事务的协调来驱动完成全局事务，无须数据库支持 XA协议，是工作在应用层的中间件。主要优点是性能较好，且不长时间占用连接资源，它以高效并且对业务0侵入的方式解决微服务场景下面临的分布式事务问题，它目前提供 AT模式(即2PC)及 TCC模式的分布式事务解决方案。
【Seata的设计思想如下】：Seata 的设计目标其一是对业务无侵入，因此从业务无侵入的 2PC方案着手，在传统 2PC的基础上演进，并解决 2PC方案面临的问题。Seata把一个分布式事务理解成一个包含了若干分支事务的全局事务。全局事务的职责是协调其下管辖的分支事务达成一致，要么一起成功提交，要么一起失败回滚。此外，通常分支事务本身就是一个关系数据库的本地事务，下图是全局事务与分支事务的关系图：

Transaction Coordinator (TC)： 事务协调器，它是独立的中间件，需要独立部署运行，它维护全局事务的运行状态，接收 TM指令发起全局事务的提交与回滚，负责与RM通信协调各各分支事务的提交或回滚。
Transaction Manager (TM)：事务管理器，TM需要嵌入应用程序中工作，它负责开启一个全局事务，并最终向 TC发起全局提交或全局回滚的指令。
Resource Manager (RM)： 控制分支事务，负责分支注册、状态汇报，并接收事务协调器 TC的指令，驱动分支（本地）事务的提交和回滚。
【新用户注册送积分 Seata的分布式事务过程】：

【具体的执行流程如下】：
【1】用户服务的 TM向 TC申请开启一个全局事务，全局事务创建成功并生成一个全局唯一的XID；
【2】用户服务的 RM 向 TC注册分支事务，该分支事务在用户服务执行新增用户逻辑，并将其纳入 XID对应全局事务的管辖；
【3】用户服务执行分支事务，向用户表插入一条记录；
【4】逻辑执行到远程调用积分服务时(XID 在微服务调用链路的上下文中传播)。积分服务的RM 向 TC注册分支事务，该分支事务执行增加积分的逻辑，并将其纳入 XID对应全局事务的管辖；
【5】积分服务执行分支事务，向积分记录表插入一条记录，执行完毕后，返回用户服务；
【6】用户服务分支事务执行完毕；
【7】TM向 TC发起针对 XID的全局提交或回滚决议；
【8】TC调度 XID下管辖的全部分支事务完成提交或回滚请求；
【Seata 实现 2PC与传统 2PC的差别】：
架构层次方面，传统 2PC方案的 RM实际上是在数据库层，RM本质上就是数据库自身，通过 XA协议实现，而 Seata的 RM是以 jar包的形式作为中间件层部署在应用程序这一侧的。两阶段提交方面，传统 2PC无论第二阶段的决议是 commit还是 rollback，事务性资源的锁都要保持到 Phase2完成才释放。而 Seata的做法是在 Phase1 就将本地事务提交，这样就可以省去 Phase2持锁的时间，整体提高效率。

四、Seata实现2PC事务

【业务说明】：本示例通过 Seata中间件实现分布式事务，模拟三个账户的转账交易过程。两个账户在三个不同的银行(张三在bank1、李四在bank2)，bank1和bank2是两个微服务。交易过程是，张三给李四转账指定金额。

【交互流程如下】：【1】请求 bank1进行转账，传入转账金额；
【2】bank1减少转账金额，调用bank2，传入转账金额；
【3】创建数据库；
【正常提交流程如下】:

【回滚流程如下】：回滚流程省略前的RM注册过程

【要点说明】：【1】每个 RM使用 DataSourceProxy连接数据库，其目的是使用ConnectionProxy，使用数据源和数据连接代理的目的就是在第一阶段将 undo_log和业务数据放在一个本地事务提交，这样就保证只要有业务操作就一定有 undo_log。
【2】在第一阶段 undo_log中存放了数据修改前和修改后的值，为事务回滚作好准备，所以第一阶段完成就已经将分支事务提交，也就释放了锁资源。
【3】TM开启全局事务开始，将 XID全局事务id放在事务上下文中，通过 feign调用也将 XID传入下游分支事务，每个分支事务将自己的Branch ID（分支事务ID）与 XID关联。
【4】第二阶段全局事务提交，TC会通知各分支参与者提交分支事务，在第一阶段就已经提交了分支事务，这里各参与者只需要删除undo_log即可，并且可以异步执行，第二阶段很快可以完成。
【5】第二阶段全局事务回滚，TC会通知各分支参与者回滚分支事务，通过 XID和 Branch ID找到相应的回滚日志，通过回滚日志生成反向的 SQL并执行，以完成分支事务回滚到之前的状态，如果回滚失败则会重试回滚操作。

【开发环境】：【数据库】：MySQL-5.7.25 包括 bank1和 bank2两个数据库；
【JDK】：64位 jdk1.8.0_201；
【微服务框架】：spring-boot-2.1.3、spring-cloud-Greenwich.RELEASE；
【Seata客户端（RM、TM）】：spring-cloud-alibaba-seata-2.1.0.RELEASE；
【Seata服务端(TC)】：seata-server-0.7.1；
【微服务及数据库的关系】 ：【1】dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank1 银行1，操作张三账户，连接数据库bank1；
【2】dtx/dtx-seata-demo/seata-demo-bank2 银行2，操作李四账户，连接数据库bank2；
【服务注册中心】：dtx/discover-server；
【核心代码粘贴】：【1】张三的服务，开启全局事务 @GlobalTransaction和本地事务 @Transactional，并远程调用李四服务。GlobalTransactionalInterceptor 会拦截 @GlobalTransactional注解的方法，生成全局事务ID(XID)，XID会在整个分布式事务中传递。在远程调用时，spring-cloud-alibaba-seata会拦截 Feign调用将 XID传递到下游服务。

 1 import io.seata.core.context.RootContext;

 2 import io.seata.spring.annotation.GlobalTransactional;

 3 import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;

 4

 5 /**

 6  * @desc  张三的服务

 7  * @author zzx

 8  * @version 1.0

 9  **/

10 @Service

11 @Slf4j

12 public class AccountInfoServiceImpl implements AccountInfoService {

13

14     @Autowired

15     AccountInfoDao accountInfoDao;

16

17     //远程李四的服务接口

18     @Autowired

19     Bank2Client bank2Client;

20

21     @Transactional

22     @GlobalTransactional//开启全局事务（重点） 使用 seata 的全局事务

23     @Override

24     public void updateAccountBalance(String accountNo, Double amount) {

25         log.info("bank1 service begin,XID：{}", RootContext.getXID());

26         //扣减张三的金额

27         accountInfoDao.updateAccountBalance(accountNo,amount *-1);

28         //调用李四微服务，转账

29         String transfer = bank2Client.transfer(amount);

30         if("fallback".equals(transfer)){

31             //调用李四微服务异常

32             throw new RuntimeException("调用李四微服务异常");

33         }

34     }

35 }

【2】李四服务核心代码，只需要开启本地服务即可。

 1 import io.seata.core.context.RootContext;

 2 import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;

 3

 4 /**

 5  * @desc 李四的服务

 6  * @author Administrator

 7  * @version 1.0

 8  **/

 9 @Service

10 @Slf4j

11 public class AccountInfoServiceImpl implements AccountInfoService {

12

13     @Autowired

14     AccountInfoDao accountInfoDao;

15

16

17     @Transactional

18     @Override

19     public void updateAccountBalance(String accountNo, Double amount) {

20         log.info("bank2 service begin,XID：{}",RootContext.getXID());

21         //李四增加金额

22         accountInfoDao.updateAccountBalance(accountNo,amount);

23         if(amount==3){

24             //人为制造异常

25             throw new RuntimeException("bank2 make exception..");

26         }

27     }

28 }

五、怎么使用Seata框架，来保证事务的隔离性？

因 seata一阶段本地事务已提交，为防止其他事务脏读脏写需要加强隔离。
【1】脏读 select语句加 for update（会去申请全局锁），代理方法增加 @GlobalLock或 @GlobalTransaction；
【2】脏写必须使用 @GlobalTransaction；
【3】注：如果你查询的业务的接口没有 GlobalTransactional 包裹，也就是这个方法上压根没有分布式事务的需求，这时你可以在方法上标注 @GlobalLock注解，并且在查询语句上加 for update。如果你查询的接口在事务链路上外层有GlobalTransactional注解，那么你查询的语句只要加for update就行。设计这个注解的原因是在没有这个注解之前，需要查询分布式事务读已提交的数据，但业务本身不需要分布式事务。若使用 GlobalTransactional注解就会增加一些没用的额外的 rpc开销比如 begin 返回xid，提交事务等。GlobalLock简化了 rpc过程，使其做到更高的性能。

总结

传统2PC（基于数据库 XA协议）和Seata实现 2PC的两种 2PC方案，由于Seata的0侵入性并且解决了传统 2PC长期锁资源的问题，所以推荐采用 Seata实现2PC。 Seata实现2PC要点：
【1】全局事务开始使用 @GlobalTransactional标识；
【2】每个本地事务方案仍然使用@Transactional标识；
【3】每个数据都需要创建 undo_log表，此表是 seata保证本地事务一致性的关键；

seata 是可以对多个数据源进行事务控制的，前提是一个分支事务操作一个数据源；