Alibaba分布式事务组件Seata AT实战

1. 分布式事务简介

1.1 本地事务

大多数场景下,我们的应用都只需要操作单一的数据库,这种情况下的事务称之为本地事务(Local Transaction)。本地事务的ACID特性是数据库直接提供支持。本地事务应用架构如下所示:

在JDBC编程中,我们通过java.sql.Connection对象来开启、关闭或者提交事务。代码如下所示:

Connection conn = ... //获取数据库连接
conn.setAutoCommit(false); //开启事务
try{
   //...执行增删改查sql
   conn.commit(); //提交事务
}catch (Exception e) {
  conn.rollback();//事务回滚
}finally{
   conn.close();//关闭链接
}

1.2 分布式事务

在微服务架构中,完成某一个业务功能可能需要横跨多个服务,操作多个数据库。这就涉及到到了分布式事务,需要操作的资源位于多个资源服务器上,而应用需要保证对于多个资源服务器的数据操作,要么全部成功,要么全部失败。本质上来说,分布式事务就是为了保证不同资源服务器的数据一致性。

典型的分布式事务应用场景

跨库事务

    跨库事务指的是,一个应用某个功能需要操作多个库,不同的库中存储不同的业务数据。下图演示了一个服务同时操作2个库的情况: 

分库分表

    通常一个库数据量比较大或者预期未来的数据量比较大,都会进行分库分表。如下图,将数据库B拆分成了2个库: 

    对于分库分表的情况,一般开发人员都会使用一些数据库中间件来降低sql操作的复杂性。如,对于sql:insert into user(id,name) values (1,"张三"),(2,"李四")。这条sql是操作单库的语法,单库情况下,可以保证事务的一致性。 但是由于现在进行了分库分表,开发人员希望将1号记录插入分库1,2号记录插入分库2。所以数据库中间件要将其改写为2条sql,分别插入两个不同的分库,此时要保证两个库要不都成功,要不都失败,因此基本上所有的数据库中间件都面临着分布式事务的问题。

微服务架构

   下图演示了一个3个服务之间彼此调用的微服务架构:

    Service A完成某个功能需要直接操作数据库,同时需要调用Service B和Service C,而Service B又同时操作了2个数据库,Service C也操作了一个库。需要保证这些跨服务调用对多个数据库的操作要么都成功,要么都失败,实际上这可能是最典型的分布式事务场景。

    小结:上述讨论的分布式事务场景中,无一例外的都直接或者间接的操作了多个数据库。如何保证事务的ACID特性,对于分布式事务实现方案而言,是非常大的挑战。同时,分布式事务实现方案还必须要考虑性能的问题,如果为了严格保证ACID特性,导致性能严重下降,那么对于一些要求快速响应的业务,是无法接受的。

1.3 实现思路:两阶段提交协议(2PC)

两阶段提交(Two Phase Commit),就是将提交(commit)过程划分为2个阶段(Phase):

阶段1:

    TM(事务管理器)通知各个RM(资源管理器)准备提交它们的事务分支。如果RM判断自己进行的工作可以被提交,那就对工作内容进行持久化,再给TM肯定答复;要是发生了其他情况,那给TM的都是否定答复。

    以mysql数据库为例,在第一阶段,事务管理器向所有涉及到的数据库服务器发出prepare"准备提交"请求,数据库收到请求后执行数据修改和日志记录等处理,处理完成后只是把事务的状态改成"可以提交",然后把结果返回给事务管理器。

阶段2

    TM根据阶段1各个RM prepare的结果,决定是提交还是回滚事务。如果所有的RM都prepare成功,那么TM通知所有的RM进行提交;如果有RM prepare失败的话,则TM通知所有RM回滚自己的事务分支。

      以mysql数据库为例,如果第一阶段中所有数据库都prepare成功,那么事务管理器向数据库服务器发出"确认提交"请求,数据库服务器把事务的"可以提交"状态改为"提交完成"状态,然后返回应答。如果在第一阶段内有任何一个数据库的操作发生了错误,或者事务管理器收不到某个数据库的回应,则认为事务失败,回撤所有数据库的事务。数据库服务器收不到第二阶段的确认提交请求,也会把"可以提交"的事务回撤。

两阶段提交方案下全局事务的ACID特性,是依赖于RM的。一个全局事务内部包含了多个独立的事务分支,这一组事务分支要么都成功,要么都失败。各个事务分支的ACID特性共同构成了全局事务的ACID特性。也就是将单个事务分支支持的ACID特性提升一个层次到分布式事务的范畴。

2PC存在的问题

1.同步阻塞问题

2PC 中的参与者是阻塞的。在第一阶段收到请求后就会预先锁定资源,一直到 commit 后才会释放。

2.单点故障

由于协调者的重要性,一旦协调者TM发生故障,参与者RM会一直阻塞下去。尤其在第二阶段,协调者发生故障,那么所有的参与者还都处于锁定事务资源的状态中,而无法继续完成事务操作。

3.数据不一致

若协调者第二阶段发送提交请求时崩溃,可能部分参与者收到commit请求提交了事务,而另一部分参与者未收到commit请求而放弃事务,从而造成数据不一致的问题。

2.Seata是什么

Seata 是一款开源的分布式事务解决方案,致力于提供高性能和简单易用的分布式事务服务。Seata 将为用户提供了 AT、TCC、SAGA 和 XA 事务模式,为用户打造一站式的分布式解决方案。AT模式是阿里首推的模式,阿里云上有商用版本的GTS(Global Transaction Service 全局事务服务)

官网:Seata | Seata

2.1 Seata的三大角色

在 Seata 的架构中,一共有三个角色:

  1. TC (Transaction Coordinator) - 事务协调者

维护全局和分支事务的状态,驱动全局事务提交或回滚。

  1. TM (Transaction Manager) - 事务管理器

定义全局事务的范围:开始全局事务、提交或回滚全局事务。

  1. RM (Resource Manager) - 资源管理器

管理分支事务处理的资源,与TC交谈以注册分支事务和报告分支事务的状态,并驱动分支事务提交或回滚。

其中,TC 为单独部署的 Server 服务端,TM 和 RM 为嵌入到应用中的 Client 客户端。

2.2 Seata的生命周期

在 Seata 中,一个分布式事务的生命周期如下:

  1. TM 请求 TC 开启一个全局事务TC 会生成一个 XID 作为该全局事务的编号。XID会在微服务的调用链路中传播,保证将多个微服务的子事务关联在一起。
  2. RM 请求 TC 将本地事务注册为全局事务的分支事务,通过全局事务的 XID 进行关联。
  3. TM 请求 TC 告诉 XID 对应的全局事务是进行提交还是回滚。
  4. TC 驱动 RM 们将 XID 对应的自己的本地事务进行提交还是回滚。

3. Seata快速开始

Seata分TC、TM和RM三个角色,TC(Server端)为单独服务端部署,TM和RM(Client端)由业务系统集成。

3.1 Seata Server(TC)环境搭建

Server端存储模式(store.mode)支持三种:

Server端存储模式(store.mode)现有file、db、redis三种(后续将引入raft,mongodb)

  1. file:单机模式,全局事务会话信息内存中读写并持久化本地文件root.data,性能较高
  2. db:高可用模式,全局事务会话信息通过db共享,相应性能差些
  3. redis:1.3及以上版本支持,性能较高,存在事务信息丢失风险,请提前配置适合当前场景的redis持久化配置

资源目录:

https://github.com/seata/seata/tree/v1.7.0/script

  1. client 

存放client端sql脚本,参数配置

  1. config-center

各个配置中心参数导入脚本,config.txt(包含server和client)为通用参数文件

  1. server

server端数据库脚本及各个容器配置

db存储模式+Nacos(注册&配置中心)方式部署

步骤一:下载安装包

Releases · seata/seata · GitHub

步骤二:建表(db模式)

创建数据库seata,执行sql脚本,https://github.com/seata/seata/blob/v1.7.0/script/server/db/mysql.sql

步骤三:配置Nacos注册中心

注册中心可以说是微服务架构中的”通讯录“,它记录了服务和服务地址的映射关系。在分布式架构中,服务会注册到注册中心,当服务需要调用其它服务时,就到注册中心找到服务的地址,进行调用。比如Seata Client端(TM,RM),发现Seata Server(TC)集群的地址,彼此通信。

注意:Seata的注册中心是作用于Seata自身的,和微服务自身配置的注册中心无关,但可以共用注册中心。

Seata支持哪些注册中心?

  1. eureka
  2. consul
  3. nacos
  4. etcd
  5. zookeeper
  6. sofa
  7. redis
  8. file (直连)

配置将Seata Server注册到Nacos,修改conf/application.yml文件

registry:
    # support: nacos, eureka, redis, zk, consul, etcd3, sofa
    type: nacos
    nacos:
      application: seata-server
      server-addr: 127.0.0.1:8848
      group: SEATA_GROUP
      namespace:
      cluster: default
      username:
      password:

注意:请确保client与server的注册处于同一个namespace和group,不然会找不到服务。

启动 Seata-Server 后,会发现Server端的服务出现在 Nacos 控制台中的注册中心列表中。

步骤四:配置Nacos配置中心

配置中心可以说是一个"大货仓",内部放置着各种配置文件,你可以通过自己所需进行获取配置加载到对应的客户端。比如Seata Client端(TM,RM),Seata Server(TC),会去读取全局事务开关,事务会话存储模式等信息。

注意:Seata的配置中心是作用于Seata自身的,和微服务自身配置的配置中心无关,但可以共用配置中心。

Seata支持哪些配置中心?

  1. nacos
  2. consul
  3. apollo
  4. etcd
  5. zookeeper
  6. file (读本地文件, 包含conf、properties、yml配置文件的支持)

1)配置Nacos配置中心地址,修改conf/application.yml文件

seata:
  config:
    # support: nacos, consul, apollo, zk, etcd3
    type: nacos
    nacos:
      server-addr: 127.0.0.1:8848
      namespace: 7e838c12-8554-4231-82d5-6d93573ddf32
      group: SEATA_GROUP
      data-id: seataServer.properties
      username:
      password:

2)上传配置至Nacos配置中心

https://github.com/seata/seata/blob/v1.7.0/script/config-center/config.txt

a) 获取/seata/script/config-center/config.txt,修改为db存储模式,并修改mysql连接配置

store.mode=db
store.lock.mode=db
store.session.mode=db
store.db.driverClassName=com.mysql.jdbc.Driver
store.db.url=jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/seata?useUnicode=true&rewriteBatchedStatements=true
store.db.user=root
store.db.password=root

在store.mode=db时,由于seata是通过jdbc的executeBatch来批量插入全局锁的,根据MySQL官网的说明,连接参数中的rewriteBatchedStatements为true时,在执行executeBatch,并且操作类型为insert时,jdbc驱动会把对应的SQL优化成`insert into () values (), ()`的形式来提升批量插入的性能。 根据实际的测试,该参数设置为true后,对应的批量插入性能为原来的10倍多,因此在数据源为MySQL时,建议把该参数设置为true。

b) 配置事务分组, 要与client配置的事务分组一致

  1. 事务分组:seata的资源逻辑,可以按微服务的需要,在应用程序(客户端)对自行定义事务分组,每组取一个名字。
  2. 集群:seata-server服务端一个或多个节点组成的集群cluster。 应用程序(客户端)使用时需要指定事务逻辑分组与Seata服务端集群的映射关系。

事务分组如何找到后端Seata集群(TC)?

  1. 首先应用程序(客户端)中配置了事务分组(GlobalTransactionScanner 构造方法的txServiceGroup参数)。若应用程序是SpringBoot则通过seata.tx-service-group 配置。
  2. 应用程序(客户端)会通过用户配置的配置中心去寻找service.vgroupMapping .[事务分组配置项],取得配置项的值就是TC集群的名称。若应用程序是SpringBoot则通过seata.service.vgroup-mapping.事务分组名=集群名称 配置
  3. 拿到集群名称程序通过一定的前后缀+集群名称去构造服务名,各配置中心的服务名实现不同(前提是Seata-Server已经完成服务注册,且Seata-Server向注册中心报告cluster名与应用程序(客户端)配置的集群名称一致)
  4. 拿到服务名去相应的注册中心去拉取相应服务名的服务列表,获得后端真实的TC服务列表(即Seata-Server集群节点列表)

c) 在nacos配置中心中新建配置,dataId为seataServer.properties,配置内容为上面修改后的config.txt中的配置信息

从v1.4.2版本开始,seata已支持从一个Nacos dataId中获取所有配置信息,你只需要额外添加一个dataId配置项。

添加后查看:

步骤五:启动Seata Server

启动命令:

bin/seata-server.sh

启动成功,查看控制台,账号密码都是seata。http://localhost:7091/#/login

在Nacos注册中心中可以查看到seata-server注册成功

3.2 Seata Client快速开始

微服务整合Seata AT模式实战

业务场景

用户下单,整个业务逻辑由三个微服务构成:

  1. 库存服务:对给定的商品扣除库存数量。
  2. 订单服务:根据采购需求创建订单。
  3. 帐户服务:从用户帐户中扣除余额。

微服务整合Seata

1) 环境准备

  • 父pom指定微服务版本

Spring Cloud Alibaba Version

Spring Cloud Version

Spring Boot Version

Seata Version

2022.0.0.0

2022.0.0

3.0.2

1.7.0

  1. 启动Seata Server(TC)端,Seata Server使用nacos作为配置中心和注册中心
  2. 启动nacos服务

2) 微服务导入seata依赖

spring-cloud-starter-alibaba-seata内部集成了seata,并实现了xid传递

<!-- seata-->
<dependency>
    <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-seata</artifactId>
</dependency>

3)微服务对应数据库中添加undo_log表(仅AT模式)

https://github.com/seata/seata/blob/v1.7.0/script/client/at/db/mysql.sql

-- for AT mode you must to init this sql for you business database. the seata server not need it.
CREATE TABLE IF NOT EXISTS `undo_log`
(
    `branch_id`     BIGINT       NOT NULL COMMENT 'branch transaction id',
    `xid`           VARCHAR(128) NOT NULL COMMENT 'global transaction id',
    `context`       VARCHAR(128) NOT NULL COMMENT 'undo_log context,such as serialization',
    `rollback_info` LONGBLOB     NOT NULL COMMENT 'rollback info',
    `log_status`    INT(11)      NOT NULL COMMENT '0:normal status,1:defense status',
    `log_created`   DATETIME(6)  NOT NULL COMMENT 'create datetime',
    `log_modified`  DATETIME(6)  NOT NULL COMMENT 'modify datetime',
    UNIQUE KEY `ux_undo_log` (`xid`, `branch_id`)
) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT = 1 DEFAULT CHARSET = utf8mb4 COMMENT ='AT transaction mode undo table';
ALTER TABLE `undo_log` ADD INDEX `ix_log_created` (`log_created`);

4) 微服务application.yml中添加seata配置

seata:
  application-id: ${spring.application.name}
  # seata 服务分组,要与服务端配置service.vgroup_mapping的后缀对应
  tx-service-group: default_tx_group
  registry:
    # 指定nacos作为注册中心
    type: nacos
    nacos:
      application: seata-server
      server-addr: 127.0.0.1:8848
      namespace:
      group: SEATA_GROUP

  config:
    # 指定nacos作为配置中心
    type: nacos
    nacos:
      server-addr: 127.0.0.1:8848
      namespace: 7e838c12-8554-4231-82d5-6d93573ddf32
      group: SEATA_GROUP
      data-id: seataServer.properties

注意:请确保client与server的注册中心和配置中心namespace和group一致

5)在全局事务发起者中添加@GlobalTransactional注解

核心代码

@Override
@GlobalTransactional(name="createOrder",rollbackFor=Exception.class)
public Order saveOrder(OrderVo orderVo){
    log.info("=============用户下单=================");
    log.info("当前 XID: {}", RootContext.getXID());
    
    // 保存订单
    Order order = new Order();
    order.setUserId(orderVo.getUserId());
    order.setCommodityCode(orderVo.getCommodityCode());
    order.setCount(orderVo.getCount());
    order.setMoney(orderVo.getMoney());
    order.setStatus(OrderStatus.INIT.getValue());

    Integer saveOrderRecord = orderMapper.insert(order);
    log.info("保存订单{}", saveOrderRecord > 0 ? "成功" : "失败");
    
    //扣减库存
    storageFeignService.deduct(orderVo.getCommodityCode(),orderVo.getCount());
    
    //扣减余额
    accountFeignService.debit(orderVo.getUserId(),orderVo.getMoney());

    //更新订单
    Integer updateOrderRecord = orderMapper.updateOrderStatus(order.getId(),OrderStatus.SUCCESS.getValue());
    log.info("更新订单id:{} {}", order.getId(), updateOrderRecord > 0 ? "成功" : "失败");
    
    return order;
    
}

6)测试分布式事务是否生效

  1. 分布式事务成功,模拟正常下单、扣库存,扣余额
  2. 分布式事务失败,模拟下单扣库存成功、扣余额失败,事务是否回滚

4. Seata AT模式的设计思路

Seata AT模式的核心是对业务无侵入,是一种改进后的两阶段提交,其设计思路如下:

  1. 一阶段:业务数据和回滚日志记录在同一个本地事务中提交,释放本地锁和连接资源。
  2. 二阶段:

提交异步化,非常快速地完成。

回滚通过一阶段的回滚日志进行反向补偿。

一阶段

业务数据和回滚日志记录在同一个本地事务中提交,释放本地锁和连接资源。核心在于对业务sql进行解析,转换成undolog,并同时入库,这是怎么做的呢?

二阶段

  • 分布式事务操作成功,则TC通知RM异步删除undolog

  • 分布式事务操作失败,TM向TC发送回滚请求,RM 收到协调器TC发来的回滚请求,通过 XID 和 Branch ID 找到相应的回滚日志记录,通过回滚记录生成反向的更新 SQL 并执行,以完成分支的回滚。

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