Seata簡單介紹及其原理(一)

Seata 是什么?

Seata 是一款開源的分布式事務解決方案，致力於提供高性能和簡單易用的分布式事務服務。Seata 將為用戶提供了 AT、TCC、SAGA 和 XA 事務模式，為用戶打造一站式的分布式解決方案。

AT 模式

前提

• 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

兩階段提交協議的演變：

• 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。

寫隔離

• 一階段本地事務提交前，需要確保先拿到 全局鎖 。
• 拿不到 全局鎖 ，不能提交本地事務。
• 拿 全局鎖 的嘗試被限制在一定范圍內，超出范圍將放棄，並回滾本地事務，釋放本地鎖。

以一個示例來說明：

兩個全局事務 tx1 和 tx2，分別對 a 表的 m 字段進行更新操作，m 的初始值 1000。

tx1 先開始，開啟本地事務，拿到本地鎖，更新操作 m = 1000 - 100 = 900。本地事務提交前，先拿到該記錄的 全局鎖 ，本地提交釋放本地鎖。 tx2 后開始，開啟本地事務，拿到本地鎖，更新操作 m = 900 - 100 = 800。本地事務提交前，嘗試拿該記錄的 全局鎖 ，tx1 全局提交前，該記錄的全局鎖被 tx1 持有，tx2 需要重試等待 全局鎖 。

tx1 二階段全局提交，釋放 全局鎖 。tx2 拿到 全局鎖 提交本地事務。

如果 tx1 的二階段全局回滾，則 tx1 需要重新獲取該數據的本地鎖，進行反向補償的更新操作，實現分支的回滾。

此時，如果 tx2 仍在等待該數據的 全局鎖，同時持有本地鎖，則 tx1 的分支回滾會失敗。分支的回滾會一直重試，直到 tx2 的 全局鎖 等鎖超時，放棄 全局鎖 並回滾本地事務釋放本地鎖，tx1 的分支回滾最終成功。

因為整個過程 全局鎖 在 tx1 結束前一直是被 tx1 持有的，所以不會發生 臟寫 的問題。

讀隔離

在數據庫本地事務隔離級別 讀已提交（Read Committed） 或以上的基礎上，Seata（AT 模式）的默認全局隔離級別是 讀未提交（Read Uncommitted） 。

如果應用在特定場景下，必需要求全局的 讀已提交 ，目前 Seata 的方式是通過 SELECT FOR UPDATE 語句的代理。

SELECT FOR UPDATE 語句的執行會申請 全局鎖 ，如果 全局鎖 被其他事務持有，則釋放本地鎖（回滾 SELECT FOR UPDATE 語句的本地執行）並重試。這個過程中，查詢是被 block 住的，直到 全局鎖 拿到，即讀取的相關數據是 已提交 的，才返回。

出於總體性能上的考慮，Seata 目前的方案並沒有對所有 SELECT 語句都進行代理，僅針對 FOR UPDATE 的 SELECT 語句。

工作機制

以一個示例來說明整個 AT 分支的工作過程。

業務表：product

Field	Type	Key
id	bigint(20)	PRI
name	varchar(100)
since	varchar(100)

AT 分支事務的業務邏輯：

update product set name = 'GTS' where name = 'TXC';

 

一階段

過程：

1. 解析 SQL：得到 SQL 的類型（UPDATE），表（product），條件（where name = 'TXC'）等相關的信息。
2. 查詢前鏡像：根據解析得到的條件信息，生成查詢語句，定位數據。

select id, name, since from product where name = 'TXC';

得到前鏡像：

id	name	since
1	TXC	2014

3. 執行業務 SQL：更新這條記錄的 name 為 'GTS'。
4. 查詢后鏡像：根據前鏡像的結果，通過 主鍵 定位數據。

select id, name, since from product where id = 1`;

 

得到后鏡像：

id	name	since
1	GTS	2014

5. 插入回滾日志：把前后鏡像數據以及業務 SQL 相關的信息組成一條回滾日志記錄，插入到 UNDO_LOG 表中。

{
    "branchId": 641789253,
    "undoItems": [{
        "afterImage": {
            "rows": [{
                "fields": [{
                    "name": "id",
                    "type": 4,
                    "value": 1
                }, {
                    "name": "name",
                    "type": 12,
                    "value": "GTS"
                }, {
                    "name": "since",
                    "type": 12,
                    "value": "2014"
                }]
            }],
            "tableName": "product"
        },
        "beforeImage": {
            "rows": [{
                "fields": [{
                    "name": "id",
                    "type": 4,
                    "value": 1
                }, {
                    "name": "name",
                    "type": 12,
                    "value": "TXC"
                }, {
                    "name": "since",
                    "type": 12,
                    "value": "2014"
                }]
            }],
            "tableName": "product"
        },
        "sqlType": "UPDATE"
    }],
    "xid": "xid:xxx"
}

 

6. 提交前，向 TC 注冊分支：申請 product 表中，主鍵值等於 1 的記錄的 全局鎖 。
7. 本地事務提交：業務數據的更新和前面步驟中生成的 UNDO LOG 一並提交。
8. 將本地事務提交的結果上報給 TC。

二階段-回滾

1. 收到 TC 的分支回滾請求，開啟一個本地事務，執行如下操作。
2. 通過 XID 和 Branch ID 查找到相應的 UNDO LOG 記錄。
3. 數據校驗：拿 UNDO LOG 中的后鏡與當前數據進行比較，如果有不同，說明數據被當前全局事務之外的動作做了修改。這種情況，需要根據配置策略來做處理，詳細的說明在另外的文檔中介紹。
4. 根據 UNDO LOG 中的前鏡像和業務 SQL 的相關信息生成並執行回滾的語句：

update product set name = 'TXC' where id = 1;

5. 提交本地事務。並把本地事務的執行結果（即分支事務回滾的結果）上報給 TC。

二階段-提交

1. 收到 TC 的分支提交請求，把請求放入一個異步任務的隊列中，馬上返回提交成功的結果給 TC。
2. 異步任務階段的分支提交請求將異步和批量地刪除相應 UNDO LOG 記錄。

附錄

回滾日志表

UNDO_LOG Table：不同數據庫在類型上會略有差別。

以 MySQL 為例：

Field	Type
branch_id	bigint PK
xid	varchar(100)
context	varchar(128)
rollback_info	longblob
log_status	tinyint
log_created	datetime
log_modified	datetime

-- 注意此處0.7.0+ 增加字段 context 

CREATE TABLE `undo_log` (
  `id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `branch_id` bigint(20) NOT NULL,
  `xid` varchar(100) NOT NULL,
  `context` varchar(128) NOT NULL,
  `rollback_info` longblob NOT NULL,
  `log_status` int(11) NOT NULL,
  `log_created` datetime NOT NULL,
  `log_modified` datetime NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE KEY `ux_undo_log` (`xid`,`branch_id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8;

TCC 模式

回顧總覽中的描述：一個分布式的全局事務，整體是 兩階段提交 的模型。全局事務是由若干分支事務組成的，分支事務要滿足 兩階段提交 的模型要求，即需要每個分支事務都具備自己的：

• 一階段 prepare 行為
• 二階段 commit 或 rollback 行為

根據兩階段行為模式的不同，我們將分支事務划分為 Automatic (Branch) Transaction Mode 和 Manual (Branch) Transaction Mode.

AT 模式（參考鏈接 TBD）基於 支持本地 ACID 事務 的 關系型數據庫：

• 一階段 prepare 行為：在本地事務中，一並提交業務數據更新和相應回滾日志記錄。
• 二階段 commit 行為：馬上成功結束，自動 異步批量清理回滾日志。
• 二階段 rollback 行為：通過回滾日志，自動 生成補償操作，完成數據回滾。

相應的，TCC 模式，不依賴於底層數據資源的事務支持：

• 一階段 prepare 行為：調用 自定義 的 prepare 邏輯。
• 二階段 commit 行為：調用 自定義 的 commit 邏輯。
• 二階段 rollback 行為：調用 自定義 的 rollback 邏輯。

所謂 TCC 模式，是指支持把 自定義 的分支事務納入到全局事務的管理中。

Saga 模式

Saga模式是SEATA提供的長事務解決方案，在Saga模式中，業務流程中每個參與者都提交本地事務，當出現某一個參與者失敗則補償前面已經成功的參與者，一階段正向服務和二階段補償服務都由業務開發實現。

理論基礎：Hector & Kenneth 發表論⽂ Sagas （1987）

適用場景：

• 業務流程長、業務流程多
• 參與者包含其它公司或遺留系統服務，無法提供 TCC 模式要求的三個接口

優勢：

• 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