09、ShardingSphere 实战：分布式事务-核心概念（九）

背景

数据库事务需要满足ACID（原子性、一致性、隔离性、持久性）四个特性。

• 原子性（Atomicity）指事务作为整体来执行，要么全部执行，要么全不执行。
• 一致性（Consistency）指事务应确保数据从一个一致的状态转变为另一个一致的状态。
• 隔离性（Isolation）指多个事务并发执行时，一个事务的执行不应影响其他事务的执行。
• 持久性（Durability）指已提交的事务修改数据会被持久保存。

在单一数据节点中，事务仅限于对单一数据库资源的访问控制，称之为本地事务。几乎所有的成熟的关系型数据库都提供了对本地事务的原生支持。 但是在基于微服务的分布式应用环境下，越来越多的应用场景要求对多个服务的访问及其相对应的多个数据库资源能纳入到同一个事务当中，分布式事务应运而生。

关系型数据库虽然对本地事务提供了完美的ACID原生支持。 但在分布式的场景下，它却成为系统性能的桎梏。如何让数据库在分布式场景下满足ACID的特性或找寻相应的替代方案，是分布式事务的重点工作。

本地事务

在不开启任何分布式事务管理器的前提下，让每个数据节点各自管理自己的事务。 它们之间没有协调以及通信的能力，也并不互相知晓其他数据节点事务的成功与否。 本地事务在性能方面无任何损耗，但在强一致性以及最终一致性方面则力不从心。

两阶段提交

XA协议最早的分布式事务模型是由X/Open国际联盟提出的X/Open Distributed Transaction Processing（DTP）模型，简称XA协议。

基于XA协议实现的分布式事务对业务侵入很小。 它最大的优势就是对使用方透明，用户可以像使用本地事务一样使用基于XA协议的分布式事务。 XA协议能够严格保障事务ACID特性。

严格保障事务ACID特性是一把双刃剑。 事务执行在过程中需要将所需资源全部锁定，它更加适用于执行时间确定的短事务。 对于长事务来说，整个事务进行期间对数据的独占，将导致对热点数据依赖的业务系统并发性能衰退明显。 因此，在高并发的性能至上场景中，基于XA协议的分布式事务并不是最佳选择。

柔性事务

如果将实现了ACID的事务要素的事务称为刚性事务的话，那么基于BASE事务要素的事务则称为柔性事务。 BASE是基本可用、柔性状态和最终一致性这三个要素的缩写。

• 基本可用（Basically Available）保证分布式事务参与方不一定同时在线。
• 柔性状态（Soft state）则允许系统状态更新有一定的延时，这个延时对客户来说不一定能够察觉。
• 而最终一致性（Eventually consistent）通常是通过消息传递的方式保证系统的最终一致性。

在ACID事务中对隔离性的要求很高，在事务执行过程中，必须将所有的资源锁定。 柔性事务的理念则是通过业务逻辑将互斥锁操作从资源层面上移至业务层面。通过放宽对强一致性要求，来换取系统吞吐量的提升。

基于ACID的强一致性事务和基于BASE的最终一致性事务都不是银弹，只有在最适合的场景中才能发挥它们的最大长处。 可通过下表详细对比它们之间的区别，以帮助开发者进行技术选型。

挑战

由于应用的场景不同，需要开发者能够合理的在性能与功能之间权衡各种分布式事务。

强一致的事务与柔性事务的API和功能并不完全相同，在它们之间并不能做到自由的透明切换。在开发决策阶段，就不得不在强一致的事务和柔性事务之间抉择，使得设计和开发成本被大幅增加。

基于XA的强一致事务使用相对简单，但是无法很好的应对互联网的高并发或复杂系统的长事务场景；柔性事务则需要开发者对应用进行改造，接入成本非常高，并且需要开发者自行实现资源锁定和反向补偿。

目标

整合现有的成熟事务方案，为本地事务、两阶段事务和柔性事务提供统一的分布式事务接口，并弥补当前方案的不足，提供一站式的分布式事务解决方案是ShardingSphere分布式事务模块的主要设计目标。

导览

本小节主要介绍分布式事务的核心概念，主要包括：

• 本地事务
• 两阶段XA事务
• Saga柔性事务
• Seata柔性事务

两阶段事务-XA

两阶段事务提交采用的是X/OPEN组织所定义的DTP模型，通过抽象出来的AP, TM, RM的概念可以保证事务的强一致性。 其中TM和RM间采用XA的协议进行双向通信。 与传统的本地事务相比，XA事务增加了prepare阶段，数据库除了被动接受提交指令外，还可以反向通知调用方事务是否可以被提交。 因此TM可以收集所有分支事务的prepare结果，最后进行原子的提交，保证事务的强一致性。

Java通定义JTA接口实现了XA的模型，JTA接口里的ResourceManager需要数据库厂商提供XA的驱动实现，而TransactionManager则需要事务管理器的厂商实现，传统的事务管理器需要同应用服务器绑定，因此使用的成本很高。 而嵌入式的事务管器可以已jar包的形式提供服务，同ShardingSphere集成后，可保证分片后跨库事务强一致性。

通常，只有使用了事务管理器厂商所提供的XA事务连接池，才能支持XA的事务。ShardingSphere整合XA事务时，分离了XA事务管理和连接池管理，这样接入XA时，可以做到对业务的零侵入。

SAGA柔性事务

Saga事务

Saga这个概念来源于三十多年前的一篇数据库论文Sagas ，一个Saga事务是一个有多个短时事务组成的长时的事务。 在分布式事务场景下，我们把一个Saga分布式事务看做是一个由多个本地事务组成的事务，每个本地事务都有一个与之对应的补偿事务。在Saga事务的执行过程中，如果某一步执行出现异常，Saga事务会被终止，同时会调用对应的补偿事务完成相关的恢复操作，这样保证Saga相关的本地事务要么都是执行成功，要么通过补偿恢复成为事务执行之前的状态。

自动反向补偿

Saga定义了一个事务中的每个子事务都有一个与之对应的反向补偿操作。由Saga事务管理器根据程序执行结果生成一张有向无环图，并在需要执行回滚操作时，根据该图依次按照相反的顺序调用反向补偿操作。Saga事务管理器只用于控制何时重试，合适补偿，并不负责补偿的内容，补偿的具体操作需要由开发者自行提供。

ShardingSphere采用反向SQL技术，将对数据库进行更新操作的SQL自动生成反向SQL，并交由saga-actuator执行，使用方则无需再关注如何实现补偿方法，将柔性事务管理器的应用范畴成功的定位回了事务的本源——数据库层面。

SEATA柔性事务

Seata柔性事务

Seata是阿里集团和蚂蚁金服联合打造的分布式事务框架，截止到0.5.x版本包含了AT事务和TCC事务。其中AT事务的目标是在微服务架构下，提供增量的事务ACID语意，让用户像使用本地事务一样，使用分布式事务，核心理念同ShardingSphere一脉相承。

Seata AT事务模型

Seata AT事务模型包含TM(事务管理器)，RM(资源管理器)，TC(事务协调器)。其中TC是一个独立的服务需要单独部署，TM和RM以jar包的方式同业务应用部署在一起，它们同TC建立长连接，在整个事务生命周期内，保持RPC通信。 其中全局事务的发起方作为TM，全局事务的参与者作为RM ; TM负责全局事务的begin和commit/rollback，RM负责分支事务的执行结果上报，并且通过TC的协调进行commit/rollback。