一文瞭解Seata的實現原理

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一、背景

大型廠商根據分佈式事務實現規范，實現瞭不同的分佈式框架，以簡化業務開發者處理分佈式事務相關工作，讓開發者專註於核心業務開發。

Seata就是這麼一個分佈式事務處理框架，Seata是由阿裡開源，前身為Fescar，經過品牌升級變身Seata。

二、分佈式事務規范

2.1、分佈式事務相關概念

事務：一個程序執行單元，是用戶定義的一組操作序列，需要滿足ACID屬性。

本地事務：事務由本地資源管理器管理。

分佈式事務：事務的操作位於不同的節點。

分支事務：在分佈式事務中，由資源管理器管理的本地事務。

全局事務：一次性操作多個資源管理器完成的事務，由一組分支事務組成。

2.2、分佈式事務實現規范

對於本地事務，可以借助DBMS系統來實現事務的管理，但是對於分佈式事務，它就無能為力瞭。對於分佈式事務，目前主要有2種思路：XA協議的強一致規范以及柔性事務的最終一致性規范。

2.2.1、XA

XA是基於2階段提交協議設計的接口標準，實現瞭XA規范的資源管理器就可以參與XA全局事務。應用承擔事務管理器TM工作，數據庫承擔資源管理器RM工作，TM生成全局事務id，控制RM的提交和回滾。

2.2.2、柔性事務的最終一致性

該規范主要有3種實現方式，TCC、MQ事務消息、本地消息表。（還存在其他一些不常用實現方式如Saga）。

TCC：try/confirm/cancel，在try階段鎖定資源，confirm階段進行提交，資源鎖定失敗執行cancel階段釋放資源。

MQ事務消息：前提消息系統需要支持事務如RocketMQ，在本地事務執行前，發送事務消息prepare，本地事務執行成功，發送事務消息commit，實現分佈式事務最終一致性。如果事務消息commit失敗，RocketMQ會回查消息發送者確保消息正常提交，如果步驟5執行失敗，進行重試，達到最終一致性。

本地消息表：跟MQ事務消息類似，區別在於MQ不支持事務消息，需要借助本地數據庫的事務管理能力。在步驟1中將需要發送的消息和本地事務一起提交到DB，借助DB的事務管理確保消息持久化。步驟2應用通過本地消息表掃描，重試發送，確保消息可以發送成功。

三、Seata 架構

3.1、系統組成

Seata有三個核心組件：

  • Transaction Coordinator(TC，事務協調器)—— 維護全局事務和分支事務的狀態，驅動全局事務提交或回滾。
  • Transaction Manager(TM，事務管理器)—— 定義全局事務的范圍，開始事務、提交事務、回滾事務。
  • Resource Manager(RM，資源管理器)：—— 管理分支事務上的資源，向TC註冊分支事務，匯報分支事務狀態，驅動分支事務的提交或回滾。

三個組件相互協作，TC 以 Server 形式獨立部署，TM和RM集成在應用中啟動，其整體交互如下：

3.2、工作模式

Seata 支持四種工作模式：

3.2.1、AT（Auto Transaction）

AT模式是Seata默認的工作模式。需要基於支持本地 ACID 事務的關系型數據庫，Java 應用，通過 JDBC 訪問數據庫。

整體機制：

該模式是XA協議的演變，XA協議是基於資源管理器實現，而AT並不是如此。AT的2個階段分別是：

一階段：業務數據和回滾日志記錄在同一個本地事務中提交，釋放本地鎖和連接資源。二階段：提交異步化，非常快速地完成；回滾通過一階段的回滾日志進行反向補償。

下圖中，步驟1開啟全局事務；步驟2註冊分支事務，這裡對應著一階段；步驟3提交或者回滾分支事務，對應著二階段。

特點：

優點：對代碼無侵入；並發度高，本地鎖在一階段就會釋放；不需要數據庫對XA協議的支持。

缺點：隻能用在支持ACID的關系型數據庫；SQL解析還不能支持全部語法。

3.2.2、TCC

該模式工作分為三個階段：

上圖中對於多個分支事務，省略瞭多次出現的 2.* 步驟。對於全局事務執行過程中業務應用宕機情況，業務應用集群中對等節點會通過從TC獲取相關會話，從DB加載詳細信息來恢復狀態機。

特點：

優點：一階段提交本地事務，無鎖，高性能；事件驅動架構，參與者可異步執行，高吞吐；補償服務易於實現。

缺點：不保證隔離性。

3.2.3、XA模式

XA是基於二階段提交設計的接口標準。對於支持XA的資源管理器，借助Seata框架的XA模式，會使XA方案更簡單易用。使用前提：需要分支數據庫支持XA 事務，應用為 Java應用，且使用JDBC訪問數據庫。

整體機制：

在 Seata 定義的分佈式事務框架內，利用事務資源（數據庫、消息服務等）對 XA 協議的支持，以 XA 協議的機制來管理分支事務的一種 事務模式。

執行階段：業務sql在XA分支中執行，由分支事務的RM管理器管理，然後執行XA prepare。完成階段：TM根據各個分支執行結果通過TC通知各個分支執行XA commit或者XA rollback。

特點：

優點：繼承瞭XA協議的優勢，事務具有強一致性。

缺點：同樣繼承瞭XA協議的劣勢，由於分支事務長時間開啟，並發度低。2.5 Seata 各模式對比

分佈式事務方案沒有銀彈，根據自己的業務特性選擇合適的模式。例如追求強一致性，可以選擇AT和XA，存在和外部系統對接，可以選擇Saga模式，不能依賴本地事務，可以采用TCC等等。結合各模式的優缺點進行選擇。

四、AT 模式核心實現

鑒於Seata支持的模式較多，而其默認的模式是AT，為節省篇幅，以下圍繞AT模式分析其相關的核心模塊實現。

4.1、事務協調器的啟動

TC（事務協調器）以獨立的服務啟動，作為Server，維護全局事務和分支事務的狀態，驅動全局事務提交或回滾。下面是TC的啟動流程：

4.2、事務管理器的啟動

TM（事務管理器）集成在應用中啟動，負責定義全局事務的范圍，開始事務、提交事務、回滾事務。
TM所在應用中需要配置GlobalTransactionScannerbean，在應用啟動時會進行如下初始化流程：

4.3、資源管理器的啟動

RM（資源管理器）集成在應用中啟動，負責管理分支事務上的資源，向TC註冊分支事務，匯報分支事務狀態，驅動分支事務的提交或回滾。
RM所在的應用中除瞭需要跟TM一樣配置GlobalTransactionScanner以啟動RMClient，還需要配置DataSourceProxy，以實現對數據源訪問代理。該數據源代理實現瞭sql的解析 →生成undo-log →業務sql和undo-log一並本地提交等操作。

4.4、全局事務的工作流程

下面以一個簡單的例子來說明全局事務的工作原理：

  • BusinessService：發起購買服務
  • StorageService：庫存管理服務

購買操作實現在businessService.purchase中，purchase方法實現上通過GlobalTransaction註解，通過Dubbo服務，調用瞭庫存服務deduct方法方法，樣例如下：

@GlobalTransactional(timeoutMills = 300000, name = "dubbo-demo-tx")
public void purchase(String userId, String commodityCode, int orderCount) {
    storageService.deduct(commodityCode, orderCount);
    // throw new RuntimeException("xxx");
}

4.4.1、成功的全局事務處理流程

4.4.2、成功的全局事務處理流程

這裡設定BusinessService在成功調用StorageService後，本地出現異常。

4.5、寫隔離實現

全局事務未提交，分支事務本地已經提交的情況下（假設修改瞭資源A），如何避免其他事務在此時修改資源A？Seata采用全局鎖來實現，其流程如下：

4.6、讀隔離實現

在數據庫本地隔離級別為讀已提交或以上的基礎上，Seata提供瞭讀未提交，這個很好理解，全局事務提交前分支事務本地已經提交。如果想要實現讀已提交，則需要在select語句上加for update。

五、總結

Seata是Java領域很強大的分佈式事務框架，其支持瞭多種模式。其中默認支持的AT模式，相比於傳統的2PC協議（基於數據庫的XA協議），很好地解決瞭2PC長期鎖資源的問題，提高瞭並發度。Seata支持的各個模式中，AT模式對業務零入侵實現分佈式事務，對於開發者更加友好。另外Seata的Server在選擇合適的存儲介質時可以進行集群模式，減少單點故障影響。

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