什么是事务处理
事务是计算机应用中不可或缺的组件模型，它保证了用户操作的原子性 ( Atomicity )、一致性 ( Consistency )、隔离性 ( Isolation ) 和持久性 ( Durabilily )。
关于事务最经典的示例莫过于信用卡转账：将用户 A 账户中的 500 元人民币转移到用户 B 的账户中，其操作流程如下
- 将 A 账户中的金额减少 500
- 将 B 账户中的金额增加 500
这两个操作必须保正 ACID 的事务属性：即要么全部成功，要么全部失败；
假若没有事务保障，用户的账号金额将可能发生问题：
假如第一步操作成功而第二步失败，那么用户 A 账户中的金额将就减少 500 元而用户 B 的账号却没有任何增加（不翼而飞）；
同样如果第一步出错 而第二步成功，那么用户 A 的账户金额不变而用户 B 的账号将增加 500 元（凭空而生）。
上述任何一种错误都会产生严重的数据不一致问题，事务的缺失对于一个稳定的生产系统是不可接受的。
Spring的本地事务
Spring本身提供了一套Spring容器中进行事务管理的接口:
不同的数据源厂商对Spring提供的事务管理接口都有相应的实现.
image.png
而在Spring的容器内,调用者实际上是通过调用Spring的事务接口来实现事务的管理.
image.png
紧密依赖于底层资源管理器（例如数据库连接 )，事务处理局限在当前事务资源内。
此种事务处理方式不存在对应用服务器的依赖，因而部署灵活却无法支持多数据源的分布式事务。在数据库连接中使用本地事务示例如下：
清单 1. 本地事务处理实例
public void transferAccount() {
Connection conn = null;
Statement stmt = null;
try{
conn = getDataSource().getConnection();
// 将自动提交设置为 false，
//若设置为 true 则数据库将会把每一次数据更新认定为一个事务并自动提交
conn.setAutoCommit(false);
stmt = conn.createStatement();
// 将 A 账户中的金额减少 500
stmt.execute("\
update t_account set amount = amount - 500 where account_id = 'A'");
// 将 B 账户中的金额增加 500
stmt.execute("\
update t_account set amount = amount + 500 where account_id = 'B'");
// 提交事务
conn.commit();
// 事务提交：转账的两步操作同时成功
} catch(SQLException sqle){
try{
// 发生异常，回滚在本事务中的操作
conn.rollback();
// 事务回滚：转账的两步操作完全撤销
stmt.close();
conn.close();
}catch(Exception ignore){
}
sqle.printStackTrace();
}
}
容器内存在多个数据源时
如果一个应用容器中存在多个不同的数据源,通常我们会创建多个数据源的事务管理器.
比如一个Java应用要连数据库,同时也要连接MQ,这种情况下进行事务管理,我们就会创建一个DataSourceTransactionManager和一个JMSTransactionManager分别来对数据库事务和MQ事务进行管理.
在一次请求服务的过程中使用到了2个数据源,那么事务的处理可能是这样的流程:
public void service {
// 进行如下操作
1. start message transaction
2. receive message
3. start database transaction
4. update database
5. commit database transaction
// 我出错了
6. commit messaging transaction
}
但是在第5步和第6步之间如果出现了异常,那么由于第5步已经提交了,不能进行回滚操作,数据库已经插入了,但是消息还没有被消费掉,这样就无法满足事务的一致性了.
JTA就是用来解决在分布式系统,同时访问多个数据源时,可能出现的数据不一致问题.
分布式事务处理 :
Java 事务编程接口（JTA：Java Transaction API）和 Java 事务服务 (JTS；Java Transaction Service) 为 J2EE 平台提供了分布式事务服务。
分布式事务（Distributed Transaction）包括事务管理器（Transaction Manager）和一个或多个支持 XA 协议的资源管理器 ( Resource Manager )。
我们可以将资源管理器看做任意类型的持久化数据存储；事务管理器承担着所有事务参与单元的协调与控制。JTA 事务有效的屏蔽了底层事务资源，使应用可以以透明的方式参入到事务处理中；但是与本地事务相比，XA 协议的系统开销大，在系统开发过程中应慎重考虑是否确实需要分布式事务。若确实需要分布式事务以协调多个事务资源，则应实现和配置所支持 XA 协议的事务资源，如 JMS、JDBC 数据库连接池等。使用 JTA 处理事务的示例如下（注意：connA 和 connB 是来自不同数据库的连接）
public void transferAccount() {
UserTransaction userTx = null;
Connection connA = null;
Statement stmtA = null;
Connection connB = null;
Statement stmtB = null;
try{
// 获得 Transaction 管理对象
userTx = (UserTransaction)getContext().lookup("\
java:comp/UserTransaction");
// 从数据库 A 中取得数据库连接
connA = getDataSourceA().getConnection();
// 从数据库 B 中取得数据库连接
connB = getDataSourceB().getConnection();
// 启动事务
userTx.begin();
// 将 A 账户中的金额减少 500
stmtA = connA.createStatement();
stmtA.execute("
update t_account set amount = amount - 500 where account_id = 'A'");
// 将 B 账户中的金额增加 500
stmtB = connB.createStatement();
stmtB.execute("\
update t_account set amount = amount + 500 where account_id = 'B'");
// 提交事务
userTx.commit();
// 事务提交：转账的两步操作同时成功（数据库 A 和数据库 B 中的数据被同时更新）
} catch(SQLException sqle){
try{
// 发生异常，回滚在本事务中的操纵
userTx.rollback();
// 事务回滚：转账的两步操作完全撤销
//( 数据库 A 和数据库 B 中的数据更新被同时撤销）
stmt.close();
conn.close();
...
}catch(Exception ignore){
}
sqle.printStackTrace();
} catch(Exception ne){
e.printStackTrace();
}
}
JTA的特点
1.两阶段提交
2.事务时间太长,锁数据太长
3.低性能,低吞吐量
JTA一般有两种使用方式.外部应用服务器提供和依赖Java的库提供.
第一种是外部容器来提供JTA事务支持,通常我们要配合JNDI(Java Naming and Directory Interface,Java命名和目录接口)进行使用.通过JNDI可以调用外部容器中的JTA事务管理器对象实例.并最终通过Spring提供的API来调用事务管理器.
image.png
外部的事务管理器一般是由应用服务器提供,例如JBOSS等.
第二种事务管理器是通过依赖Java的Lib库的方式来提供.我们只需要依赖对应的对应的lib,由Spring来创建JTA事务管理的Bean,这样JTA事务管理器就存在于容器当中,也可以直接使用Spring的API来进行调用.例如Atomikos.
image.png
总结
JTA可以用于分布式系统中分布式事务的管理.原理是通过两阶段的提交.可以同时管理多个数据源的事务.
XA协议是一套分布式事务管理的规范,JTA是XA协议在Java中的实现,多个数据库或是消息厂商实现JTA接口,开发人员只需要调用SpringJTA接口即可实现JTA事务管理.
但是JTA也有比较严重的性能问题,由于同时操作多个数据源,如果其中一个数据源获取数据的时间过长,会导致整个请求都非常的长,因此现实中对性能要求比较高的系统较少使用JTA事务管理.
常用分布式系统事务管理实现高性能和高吞吐的方式是Spring事务同步机制以及牺牲掉事务的暂时一致性,而保证事务的最终一致性.
比如去年我买高铁票回家的时候,在12306上就遇到了出现数据不一致的问题.
去年我在买高铁票的时候支付了两次才买到票.也就是一个订单需要支付两次才成功.这就是12306的订单系统和支付系统出现了数据不一致的情形.
（1）什么是数据一致性
在数据有多份副本的情况下，如果网络、服务器或者软件出现故障，会导致部分副本写入成功，部分副本写入失败。这就造成各个副本之间的数据不一致，数据内容冲突。
造成事实上的数据不一致。
（2）CAP定理
CAP理论认为在分布式的环境下设计和部署系统时，有3个核心的需求：
Consistency，Availability和Partition Tolerance，即CAP。
Consistency：一致性，这个和数据库ACID的一致性类似，但这里关注的所有数据节点上的数据一致性和正确性，而数据库的ACID关注的是在一个事务内，对数据的一些约束。系统在执行过某项操作后仍然处于一致的状态。在分布式系统中，更新操作执行成功后所有的用户都应该读取到最新值。
Availability：可用性，每一个操作总是能够在一定时间内返回结果。需要注意“一定时间”和“返回结果”。“一定时间”是指，系统结果必须在给定时间内返回。“返回结果”是指系统返回操作成功或失败的结果。
Partition Tolerance：分区容忍性，是否可以对数据进行分区。这是考虑到性能和可伸缩性。
BASE理论：
Basically Available(基本可用）、Soft state(软状态）和Eventually consistent(最终一致性）三个短语的简写。BASE是对CAP中一致性和可用性权衡的结果，其来源于对大规模互联网系统分布式实践的总结，是基于CAP定理逐步演化而来的，其核心思想是即使无法做到强一致性，但每个应用都可以根据自身的业务特点，采用适当的方法来使系统达到最终一致性。
（3）数据一致性模型
一些分布式系统通过复制数据来提高系统的可靠性和容错性，并且将数据的不同的副本存放在不同的机器。
强一致性：
当更新操作完成之后，任何多个后续进程或者线程的访问都会返回最新的更新过的值。这种是对用户最友好的，就是用户上一次写什么，下一次就保证能读到什么。根据 CAP 理论，这种实现需要牺牲可用性。
弱一致性：
系统并不保证续进程或者线程的访问都会返回最新的更新过的值。用户读到某一操作对系统特定数据的更新需要一段时间，我们称这段时间为“不一致性窗口”。系统在数据写入成功之后，不承诺立即可以读到最新写入的值，也不会具体的承诺多久之后可以读到。
最终一致性：
是弱一致性的一种特例。系统保证在没有后续更新的前提下，系统最终返回上一次更新操作的值。在没有故障发生的前提下，不一致窗口的时间主要受通信延迟，系统负载和复制副本的个数影响。DNS 是一个典型的最终一致性系统。
一致性协议：
2pc（请求处理-->提交确认）与3pc（事务处理能力询问-->处理后待提交-->提交确认）
以下对二阶段提交算法分阶段进行说明。
第一阶段(提交请求阶段)
协调者节点向所有参与者节点询问是否可以执行提交操作，并开始等待各参与者节点的响应。
参与者节点执行询问发起为止的所有事务操作，并将Undo信息和Redo信息写入日志。
各参与者节点响应协调者节点发起的询问。如果参与者节点的事务操作实际执行成功，则它返回一个"同意"消息；如果参与者节点的事务操作实际执行失败，则它返回一个"中止"消息。
有时候，第一阶段也被称作投票阶段，即各参与者投票是否要继续接下来的提交操作。
第二阶段(提交执行阶段)
成功
当协调者节点从所有参与者节点获得的相应消息都为"同意"时：
协调者节点向所有参与者节点发出"正式提交"的请求。
参与者节点正式完成操作，并释放在整个事务期间内占用的资源。
参与者节点向协调者节点发送"完了"消息。
协调者节点受到所有参与者节点反馈的"完了"消息后，完成事务。
失败
如果任一参与者节点在第一阶段返回的响应消息为"中止"，或者 协调者节点在第一阶段的询问超时之前无法获取所有参与者节点的响应消息时：
协调者节点向所有参与者节点发出"回滚操作"的请求。
参与者节点利用之前写入的Undo信息执行回滚，并释放在整个事务期间内占用的资源。
参与者节点向协调者节点发送"回滚完了"消息。
协调者节点受到所有参与者节点反馈的"回滚完了"消息后，取消事务。
有时候，第二阶段也被称作完成阶段，因为无论结果怎样，协调者都必须在此阶段结束当前事务。
image.png
二阶段提交算法的最大缺点就在于它的执行过程中间，节点都处于阻塞状态。即节点之间在等待对方的相应消息时，它将什么也做不了。特别是，当一个节点在已经占有了某项资源的情况下，为了等待其他节点的响应消息而陷入阻塞状态时，当第三个节点尝试访问该节点占有的资源时，这个节点也将连带陷入阻塞状态。
另外，协调者节点指示参与者节点进行提交等操作时，如有参与者节点出现了崩溃等情况而导致协调者始终无法获取所有参与者的响应信息，这是协调者将只能依赖协调者自身的超时机制来生效。但往往超时机制生效时，协调者都会指示参与者进行回滚操作。这样的策略显得比较保守。
三阶段提交(3pc)
image.png
与两阶段提交不同的是，三阶段提交有两个改动点。
1、引入超时机制。同时在协调者和参与者中都引入超时机制。
2、在第一阶段和第二阶段中插入一个准备阶段。保证了在最后提交阶段之前各参与节点的状态是一致的。
也就是说，除了引入超时机制之外，3PC把2PC的准备阶段再次一分为二，这样三阶段提交就有CanCommit、PreCommit、DoCommit三个阶段。
CanCommit阶段
3PC的CanCommit阶段其实和2PC的准备阶段很像。协调者向参与者发送commit请求，参与者如果可以提交就返回Yes响应，否则返回No响应。
1.事务询问 协调者向参与者发送CanCommit请求。询问是否可以执行事务提交操作。然后开始等待参与者的响应。
2.响应反馈 参与者接到CanCommit请求之后，正常情况下，如果其自身认为可以顺利执行事务，则返回Yes响应，并进入预备状态。否则反馈No
PreCommit阶段
协调者根据参与者的反应情况来决定是否可以记性事务的PreCommit操作。根据响应情况，有以下两种可能。
假如协调者从所有的参与者获得的反馈都是Yes响应，那么就会执行事务的预执行。
1.发送预提交请求 协调者向参与者发送PreCommit请求，并进入Prepared阶段。
2.事务预提交 参与者接收到PreCommit请求后，会执行事务操作，并将undo和redo信息记录到事务日志中。
3.响应反馈 如果参与者成功的执行了事务操作，则返回ACK响应，同时开始等待最终指令。
假如有任何一个参与者向协调者发送了No响应，或者等待超时之后，协调者都没有接到参与者的响应，那么就执行事务的中断。
1.发送中断请求 协调者向所有参与者发送abort请求。
2.中断事务 参与者收到来自协调者的abort请求之后（或超时之后，仍未收到协调者的请求），执行事务的中断。
doCommit阶段
该阶段进行真正的事务提交，也可以分为以下两种情况。
执行提交
1.发送提交请求 协调接收到参与者发送的ACK响应，那么他将从预提交状态进入到提交状态。并向所有参与者发送doCommit请求。
2.事务提交 参与者接收到doCommit请求之后，执行正式的事务提交。并在完成事务提交之后释放所有事务资源。
3.响应反馈 事务提交完之后，向协调者发送Ack响应。
4.完成事务 协调者接收到所有参与者的ack响应之后，完成事务。
中断事务 协调者没有接收到参与者发送的ACK响应（可能是接受者发送的不是ACK响应，也可能响应超时），那么就会执行中断事务。
1.发送中断请求 协调者向所有参与者发送abort请求
2.事务回滚 参与者接收到abort请求之后，利用其在阶段二记录的undo信息来执行事务的回滚操作，并在完成回滚之后释放所有的事务资源。
3.反馈结果 参与者完成事务回滚之后，向协调者发送ACK消息
4.中断事务 协调者接收到参与者反馈的ACK消息之后，执行事务的中断。
在doCommit阶段，如果参与者无法及时接收到来自协调者的doCommit或者rebort请求时，会在等待超时之后，会继续进行事务的提交。（其实这个应该是基于概率来决定的，当进入第三阶段时，说明参与者在第二阶段已经收到了PreCommit请求，那么协调者产生PreCommit请求的前提条件是他在第二阶段开始之前，收到所有参与者的CanCommit响应都是Yes。（一旦参与者收到了PreCommit，意味他知道大家其实都同意修改了）所以，一句话概括就是，当进入第三阶段时，由于网络超时等原因，虽然参与者没有收到commit或者abort响应，但是他有理由相信：成功提交的几率很大。 ）
2PC与3PC的区别
相对于2PC，3PC主要解决的单点故障问题，并减少阻塞，因为一旦参与者无法及时收到来自协调者的信息之后，他会默认执行commit。而不会一直持有事务资源并处于阻塞状态。但是这种机制也会导致数据一致性问题，因为，由于网络原因，协调者发送的abort响应没有及时被参与者接收到，那么参与者在等待超时之后执行了commit操作。这样就和其他接到abort命令并执行回滚的参与者之间存在数据不一致的情况。
无论是二阶段提交还是三阶段提交都无法彻底解决分布式的一致性问题。Google Chubby的作者Mike Burrows说过， there is only one consensus protocol, and that’s Paxos” – all other approaches are just broken versions of Paxos. 意即世上只有一种一致性算法，那就是Paxos算法。
二阶段提交和三阶段提交都是这样的一致性算法。但是一般的算法比如二阶段提交，要求所有的参与节点都通过了才能完成事务，任意节点失去联系都会导致整个事务的阻塞。三阶段提交为事务设置了超时阶段，即使一段时间内没有来自Coordinator的指示，也能自行提交事务，三阶段提交的问题是无法应对网络分区。网络分区在一个线上系统的实际运行中是很常见的，比如交换机的某个口坏了，或者路由器配错了，再或者网络拥塞导致时延变大，对网络应用来说，是无法区别只是时延变大了还是网络断了。分区发生时，数据中心的整个网络暂时被分成几块互相不能通信的小网络，这个时候三阶段提交有可能在不同的小网络里提交不同的事务，导致不一致的出现。而且三阶段提交对每个事务都需要3次交互，时延太长。Paxos算法的先进之处在于，当且仅当大多数成员达成一致时提交事务，即使网络被分区，每个分区内的集群成员不足整个集群的多数时，就不会提交事务，反之只要分区内的节点能达到多数要求，系统就能继续运行下去。Paxos算法既不会出现二阶段提交的阻塞情况，也没有三阶段提交的不一致的风险。
网友评论