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現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)界，分布式系統(tǒng)和微服務(wù)架構(gòu)盛行。一個(gè)簡(jiǎn)單操作，在服務(wù)端非常可能是由多個(gè)服務(wù)和數(shù)據(jù)庫實(shí)例協(xié)同完成的。在一致性要求較高的場(chǎng)景下，多個(gè)獨(dú)立操作之間的一致性問題顯得格外棘手。

基于水平擴(kuò)容能力和成本考慮，傳統(tǒng)的強(qiáng)一致的解決方案(e.g.單機(jī)事務(wù))紛紛被拋棄。其理論依據(jù)就是響當(dāng)當(dāng)?shù)腃AP原理。往往為了可用性和分區(qū)容錯(cuò)性，忍痛放棄強(qiáng)一致支持，轉(zhuǎn)而追求最終一致性。

分布式系統(tǒng)的特性

在分布式系統(tǒng)中，同時(shí)滿足CAP定律中的一致性 Consistency、可用性 Availability和分區(qū)容錯(cuò)性 Partition Tolerance三者是不可能的。在絕大多數(shù)的場(chǎng)景，都需要犧牲強(qiáng)一致性來換取系統(tǒng)的高可用性，系統(tǒng)往往只需要保證最終一致性。

CAP理解：

• Consistency：強(qiáng)一致性就是在客戶端任何時(shí)候看到各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都是一致的(All nodes see the same data at the same time)。
• Availability：高可用性就是在任何時(shí)候都可以讀寫(Reads and writes always succeed)。
• Partition Tolerance：分區(qū)容錯(cuò)性是在網(wǎng)絡(luò)故障、某些節(jié)點(diǎn)不能通信的時(shí)候系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作(The system continue to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the the system)。以實(shí)際效果而言，分區(qū)相當(dāng)于對(duì)通信的時(shí)限要求。系統(tǒng)如果不能在時(shí)限內(nèi)達(dá)成數(shù)據(jù)一致性，就意味著發(fā)生了分區(qū)的情況，必須就當(dāng)前操作在C和A之間做出選擇。

ACID理解：

• Atomicity 原子性：一個(gè)事務(wù)中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成，不會(huì)結(jié)束在中間某個(gè)環(huán)節(jié)。事務(wù)在執(zhí)行過程中發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)被回滾到事務(wù)開始前的狀態(tài)，就像這個(gè)事務(wù)從來沒有執(zhí)行過一樣。
• Consistency 一致性：在事務(wù)開始之前和事務(wù)結(jié)束以后，數(shù)據(jù)庫的完整性沒有被破壞。
• Isolation 隔離性：數(shù)據(jù)庫允許多個(gè)并發(fā)事務(wù)同時(shí)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫和修改的能力，隔離性可以防止多個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時(shí)由于交叉執(zhí)行而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致。
• Durability 持久性：事務(wù)處理結(jié)束后，對(duì)數(shù)據(jù)的修改就是***的，即便系統(tǒng)故障也不會(huì)丟失。

分布式事務(wù)的基本介紹

分布式事務(wù)服務(wù)(Distributed Transaction Service，DTS)是一個(gè)分布式事務(wù)框架，用來保障在大規(guī)模分布式環(huán)境下事務(wù)的最終一致性。

CAP理論告訴我們?cè)诜植际酱鎯?chǔ)系統(tǒng)中，最多只能實(shí)現(xiàn)上面的兩點(diǎn)。而由于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)硬件肯定會(huì)出現(xiàn)延遲丟包等問題，所以分區(qū)容忍性是我們必須需要實(shí)現(xiàn)的，所以我們只能在一致性和可用性之間進(jìn)行權(quán)衡。

為了保障系統(tǒng)的可用性，互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大多將強(qiáng)一致性需求轉(zhuǎn)換成最終一致性的需求，并通過系統(tǒng)執(zhí)行冪等性的保證，保證數(shù)據(jù)的最終一致性。

數(shù)據(jù)一致性理解：

• 強(qiáng)一致性：當(dāng)更新操作完成之后，任何多個(gè)后續(xù)進(jìn)程或者線程的訪問都會(huì)返回***的更新過的值。這種是對(duì)用戶最友好的，就是用戶上一次寫什么，下一次就保證能讀到什么。根據(jù) CAP 理論，這種實(shí)現(xiàn)需要犧牲可用性。
• 弱一致性：系統(tǒng)并不保證后續(xù)進(jìn)程或者線程的訪問都會(huì)返回***的更新過的值。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)寫入成功之后，不承諾立即可以讀到***寫入的值，也不會(huì)具體的承諾多久之后可以讀到。
• 最終一致性：弱一致性的特定形式。系統(tǒng)保證在沒有后續(xù)更新的前提下，系統(tǒng)最終返回上一次更新操作的值。在沒有故障發(fā)生的前提下，不一致窗口的時(shí)間主要受通信延遲，系統(tǒng)負(fù)載和復(fù)制副本的個(gè)數(shù)影響。DNS 是一個(gè)典型的最終一致性系統(tǒng)。

常用的分布式技術(shù)說明

1. 本地消息表

這種實(shí)現(xiàn)方式的思路是源于ebay，其基本的設(shè)計(jì)思想是將遠(yuǎn)程分布式事務(wù)拆分成一系列的本地事務(wù)。

舉個(gè)經(jīng)典的跨行轉(zhuǎn)賬的例子來描述。

***步偽代碼如下，扣款1W，通過本地事務(wù)保證了憑證消息插入到消息表中。

Begin transaction     update A set amount = amount - 10000 where userId = 1;    
  insert into message(userId, price, status) values(1, 10000, 1); 
 End transaction commit;  

第二步，通知對(duì)方銀行賬戶上加1W了，通常采用兩種方式：

采用時(shí)效性高的MQ，由對(duì)方訂閱消息并監(jiān)聽，有消息時(shí)自動(dòng)觸發(fā)事件。

采用定時(shí)輪詢掃描的方式，去檢查消息表的數(shù)據(jù)。

2. 消息中間件

非事務(wù)性的消息中間件

還是以上述提到的跨行轉(zhuǎn)賬為例，我們很難保證在扣款完成之后對(duì)MQ投遞消息的操作就一定能成功。這樣一致性似乎很難保證。

try {   
    bool result = dao.update(model); // 操作數(shù)據(jù)庫失敗，會(huì)拋出異常  
    if (result) {   
        mq.send(model); // 如果mq方式執(zhí)行失敗，會(huì)拋出異常  
    } } catch(Exception e) {   
    rollback(); // 如果發(fā)生異常，則回滾 }  

我們來分析下可能的情況：

• 操作數(shù)據(jù)庫成功，向MQ中投遞消息也成功，皆大歡喜。
• 操作數(shù)據(jù)庫失敗，不會(huì)向MQ中投遞消息了。
• 操作數(shù)據(jù)庫成功，但是向MQ中投遞消息時(shí)失敗，向外拋出了異常，剛剛執(zhí)行的更新數(shù)據(jù)庫的操作將被回滾。

從上面分析的幾種情況來看，基本上能保證發(fā)送者發(fā)送消息的可靠性。我們?cè)賮矸治鱿孪M(fèi)者端面臨的問題：

• 消息出列后，消費(fèi)者對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)操作要執(zhí)行成功。如果業(yè)務(wù)執(zhí)行失敗，消息不能失效或者丟失。需要保證消息與業(yè)務(wù)操作一致。
• 盡量避免消息重復(fù)消費(fèi)。如果重復(fù)消費(fèi)，也不能因此影響業(yè)務(wù)結(jié)果。

支持事務(wù)的消息中間件

除了上面介紹的通過異常捕獲和回滾的方式外，還有沒有其他的思路呢?

阿里巴巴的RocketMQ中間件就支持一種事務(wù)消息機(jī)制，能夠確保本地操作和發(fā)送消息達(dá)到本地事務(wù)一樣的效果。

• ***階段，RocketMQ在執(zhí)行本地事務(wù)之前，會(huì)先發(fā)送一個(gè)Prepared消息，并且會(huì)持有這個(gè)消息的地址。
• 第二階段，執(zhí)行本地事物操作。
• 第三階段，確認(rèn)消息發(fā)送，通過***階段拿到的地址去訪問消息，并修改狀態(tài)，如果本地事務(wù)成功，則修改狀態(tài)為已提交，否則修改狀態(tài)為已回滾。

但是如果第三階段的確認(rèn)消息發(fā)送失敗了怎么辦?RocketMQ會(huì)定期掃描消息集群中的事物消息，如果發(fā)現(xiàn)了prepare狀態(tài)的消息，它會(huì)向消息發(fā)送者確認(rèn)本地事務(wù)是否已執(zhí)行成功，如果成功是回滾還是繼續(xù)發(fā)送確認(rèn)消息呢。RocketMQ會(huì)根據(jù)發(fā)送端設(shè)置的策略來決定是回滾還是繼續(xù)發(fā)送確認(rèn)消息。這樣就保證了消息發(fā)送與本地事務(wù)同時(shí)成功或同時(shí)失敗。

目前主流的開源MQ(ActiveMQ、RabbitMQ、Kafka)均未實(shí)現(xiàn)對(duì)事務(wù)消息的支持，比較遺憾的是，RocketMQ事務(wù)消息部分的代碼也并未開源，需要自己去實(shí)現(xiàn)。

理解2PC和3PC協(xié)議

為了解決分布式一致性問題，前人在性能和數(shù)據(jù)一致性的反反復(fù)復(fù)權(quán)衡過程中總結(jié)了許多典型的協(xié)議和算法。其中比較著名的有二階提交協(xié)議(2 Phase Commitment Protocol)，三階提交協(xié)議(3 Phase Commitment Protocol)。

2PC

分布式事務(wù)最常用的解決方案就是二階段提交。在分布式系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)雖然可以知曉自己的操作時(shí)成功或者失敗，卻無法知道其他節(jié)點(diǎn)的操作的成功或失敗。當(dāng)一個(gè)事務(wù)跨越多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，為了保持事務(wù)的ACID特性，需要引入一個(gè)作為協(xié)調(diào)者的組件來統(tǒng)一掌控所有參與者節(jié)點(diǎn)的操作結(jié)果并最終指示這些節(jié)點(diǎn)是否要把操作結(jié)果進(jìn)行真正的提交。

因此，二階段提交的算法思路可以概括為：參與者將操作成敗通知協(xié)調(diào)者，再由協(xié)調(diào)者根據(jù)所有參與者的反饋情報(bào)決定各參與者是否要提交操作還是中止操作。

所謂的兩個(gè)階段是指：***階段：準(zhǔn)備階段(投票階段)和第二階段：提交階段(執(zhí)行階段)。

***階段：投票階段

該階段的主要目的在于打探數(shù)據(jù)庫集群中的各個(gè)參與者是否能夠正常的執(zhí)行事務(wù)，具體步驟如下：

1. 協(xié)調(diào)者向所有的參與者發(fā)送事務(wù)執(zhí)行請(qǐng)求，并等待參與者反饋事務(wù)執(zhí)行結(jié)果。

2. 事務(wù)參與者收到請(qǐng)求之后，執(zhí)行事務(wù)，但不提交，并記錄事務(wù)日志。

3. 參與者將自己事務(wù)執(zhí)行情況反饋給協(xié)調(diào)者，同時(shí)阻塞等待協(xié)調(diào)者的后續(xù)指令。

第二階段：事務(wù)提交階段

在***階段協(xié)調(diào)者的詢盤之后，各個(gè)參與者會(huì)回復(fù)自己事務(wù)的執(zhí)行情況，這時(shí)候存在三種可能：

1. 所有的參與者回復(fù)能夠正常執(zhí)行事務(wù)。
2. 一個(gè)或多個(gè)參與者回復(fù)事務(wù)執(zhí)行失敗。
3. 協(xié)調(diào)者等待超時(shí)。

對(duì)于***種情況，協(xié)調(diào)者將向所有的參與者發(fā)出提交事務(wù)的通知，具體步驟如下：

1. 協(xié)調(diào)者向各個(gè)參與者發(fā)送commit通知，請(qǐng)求提交事務(wù)。
2. 參與者收到事務(wù)提交通知之后，執(zhí)行commit操作，然后釋放占有的資源。
3. 參與者向協(xié)調(diào)者返回事務(wù)commit結(jié)果信息。

對(duì)于第二、三種情況，協(xié)調(diào)者均認(rèn)為參與者無法正常成功執(zhí)行事務(wù)，為了整個(gè)集群數(shù)據(jù)的一致性，所以要向各個(gè)參與者發(fā)送事務(wù)回滾通知，具體步驟如下：

• 協(xié)調(diào)者向各個(gè)參與者發(fā)送事務(wù)rollback通知，請(qǐng)求回滾事務(wù)。
• 參與者收到事務(wù)回滾通知之后，執(zhí)行rollback操作，然后釋放占有的資源。
• 參與者向協(xié)調(diào)者返回事務(wù)rollback結(jié)果信息。

兩階段提交協(xié)議解決的是分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)強(qiáng)一致性問題，其原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是缺點(diǎn)也是顯而易見的，主要缺點(diǎn)如下：

• 單點(diǎn)問題：協(xié)調(diào)者在整個(gè)兩階段提交過程中扮演著舉足輕重的作用，一旦協(xié)調(diào)者所在服務(wù)器宕機(jī)，那么就會(huì)影響整個(gè)數(shù)據(jù)庫集群的正常運(yùn)行，比如在第二階段中，如果協(xié)調(diào)者因?yàn)楣收喜荒苷０l(fā)送事務(wù)提交或回滾通知，那么參與者們將一直處于阻塞狀態(tài)，整個(gè)數(shù)據(jù)庫集群將無法提供服務(wù)。
• 同步阻塞：兩階段提交執(zhí)行過程中，所有的參與者都需要聽從協(xié)調(diào)者的統(tǒng)一調(diào)度，期間處于阻塞狀態(tài)而不能從事其他操作，這樣效率及其低下。
• 數(shù)據(jù)不一致性：兩階段提交協(xié)議雖然為分布式數(shù)據(jù)強(qiáng)一致性所設(shè)計(jì)，但仍然存在數(shù)據(jù)不一致性的可能，比如在第二階段中，假設(shè)協(xié)調(diào)者發(fā)出了事務(wù)commit的通知，但是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)問題該通知僅被一部分參與者所收到并執(zhí)行了commit操作，其余的參與者則因?yàn)闆]有收到通知一直處于阻塞狀態(tài)，這時(shí)候就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)的不一致性。

3PC

針對(duì)兩階段提交存在的問題，三階段提交協(xié)議通過引入一個(gè)“預(yù)詢盤”階段，以及超時(shí)策略來減少整個(gè)集群的阻塞時(shí)間，提升系統(tǒng)性能。三階段提交的三個(gè)階段分別為：can_commit，pre_commit，do_commit。

***階段：can_commit

該階段協(xié)調(diào)者會(huì)去詢問各個(gè)參與者是否能夠正常執(zhí)行事務(wù)，參與者根據(jù)自身情況回復(fù)一個(gè)預(yù)估值，相對(duì)于真正的執(zhí)行事務(wù)，這個(gè)過程是輕量的，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向各個(gè)參與者發(fā)送事務(wù)詢問通知，詢問是否可以執(zhí)行事務(wù)操作，并等待回復(fù)。

各個(gè)參與者依據(jù)自身狀況回復(fù)一個(gè)預(yù)估值，如果預(yù)估自己能夠正常執(zhí)行事務(wù)就返回確定信息，并進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)，否則返回否定信息。

第二階段：pre_commit

本階段協(xié)調(diào)者會(huì)根據(jù)***階段的詢盤結(jié)果采取相應(yīng)操作，詢盤結(jié)果主要有三種：

1. 所有的參與者都返回確定信息。
2. 一個(gè)或多個(gè)參與者返回否定信息。
3. 協(xié)調(diào)者等待超時(shí)。

針對(duì)***種情況，協(xié)調(diào)者會(huì)向所有參與者發(fā)送事務(wù)執(zhí)行請(qǐng)求，具體步驟如下：

1. 協(xié)調(diào)者向所有的事務(wù)參與者發(fā)送事務(wù)執(zhí)行通知。
2. 參與者收到通知后，執(zhí)行事務(wù)，但不提交。
3. 參與者將事務(wù)執(zhí)行情況返回給客戶端。

在上面的步驟中，如果參與者等待超時(shí)，則會(huì)中斷事務(wù)。 針對(duì)第二、三種情況，協(xié)調(diào)者認(rèn)為事務(wù)無法正常執(zhí)行，于是向各個(gè)參與者發(fā)出abort通知，請(qǐng)求退出預(yù)備狀態(tài)，具體步驟如下：

協(xié)調(diào)者向所有事務(wù)參與者發(fā)送abort通知

參與者收到通知后，中斷事務(wù)

第三階段：do_commit

如果第二階段事務(wù)未中斷，那么本階段協(xié)調(diào)者將會(huì)依據(jù)事務(wù)執(zhí)行返回的結(jié)果來決定提交或回滾事務(wù)，分為三種情況：

1. 所有的參與者都能正常執(zhí)行事務(wù)。
2. 一個(gè)或多個(gè)參與者執(zhí)行事務(wù)失敗。
3. 協(xié)調(diào)者等待超時(shí)。

針對(duì)***種情況，協(xié)調(diào)者向各個(gè)參與者發(fā)起事務(wù)提交請(qǐng)求，具體步驟如下：

1. 協(xié)調(diào)者向所有參與者發(fā)送事務(wù)commit通知。
2. 所有參與者在收到通知之后執(zhí)行commit操作，并釋放占有的資源。
3. 參與者向協(xié)調(diào)者反饋事務(wù)提交結(jié)果。

針對(duì)第二、三種情況，協(xié)調(diào)者認(rèn)為事務(wù)無法正常執(zhí)行，于是向各個(gè)參與者發(fā)送事務(wù)回滾請(qǐng)求，具體步驟如下：

1. 協(xié)調(diào)者向所有參與者發(fā)送事務(wù)rollback通知。
2. 所有參與者在收到通知之后執(zhí)行rollback操作，并釋放占有的資源。
3. 參與者向協(xié)調(diào)者反饋事務(wù)提交結(jié)果。

在本階段如果因?yàn)閰f(xié)調(diào)者或網(wǎng)絡(luò)問題，導(dǎo)致參與者遲遲不能收到來自協(xié)調(diào)者的commit或rollback請(qǐng)求，那么參與者將不會(huì)如兩階段提交中那樣陷入阻塞，而是等待超時(shí)后繼續(xù)commit。相對(duì)于兩階段提交雖然降低了同步阻塞，但仍然無法避免數(shù)據(jù)的不一致性