随着大型网站的各种高并发访问、海量数据处理等场景越来越多，如何实现网站的高可用、易伸缩、可扩展、安全等目标就显得越来越重要。为了解决这样一系列问题，大型网站的架构也在不断发展。提高大型网站的高可用架构，不得不提的就是分布式。在分布式一致性一文中主要介绍了分布式系统中存在的一致性问题。本文将简单介绍如何有效的解决分布式的一致性问题,其中包括什么是分布式事务，二阶段提交和三阶段提交。
分布式一致性回顾
在分布式系统中，为了保证数据的高可用，通常，我们会将数据保留多个副本(replica)，这些副本会放置在不同的物理的机器上。为了对用户提供正确的增\删\改\差等语义，我们需要保证这些放置在不同物理机器上的副本是一致的。
为了解决这种分布式一致性问题，前人在性能和数据一致性的反反复复权衡过程中总结了许多典型的协议和算法。其中比较著名的有二阶提交协议（Two Phase Commitment Protocol）、三阶提交协议（Three Phase Commitment Protocol）和Paxos算法。
分布式事务
分布式事务是指会涉及到操作多个数据库的事务。其实就是将对同一库事务的概念扩大到了对多个库的事务。目的是为了保证分布式系统中的数据一致性。分布式事务处理的关键是必须有一种方法可以知道事务在任何地方所做的所有动作，提交或回滚事务的决定必须产生统一的结果（全部提交或全部回滚）
在分布式系统中，各个节点之间在物理上相互独立，通过网络进行沟通和协调。由于存在事务机制，可以保证每个独立节点上的数据操作可以满足ACID。但是，相互独立的节点之间无法准确的知道其他节点中的事务执行情况。所以从理论上讲，两台机器理论上无法达到一致的状态。如果想让分布式部署的多台机器中的数据保持一致性，那么就要保证在所有节点的数据写操作，要不全部都执行，要么全部的都不执行。但是，一台机器在执行本地事务的时候无法知道其他机器中的本地事务的执行结果。所以他也就不知道本次事务到底应该commit还是 roolback。所以，常规的解决办法就是引入一个“协调者”的组件来统一调度所有分布式节点的执行。
XA规范
X/Open 组织（即现在的 Open Group ）定义了分布式事务处理模型。 X/Open DTP 模型（ 1994 ）包括应用程序（ AP ）、事务管理器（ TM ）、资源管理器（ RM ）、通信资源管理器（ CRM ）四部分。一般，常见的事务管理器（ TM ）是交易中间件，常见的资源管理器（ RM ）是数据库，常见的通信资源管理器（ CRM ）是消息中间件。 通常把一个数据库内部的事务处理，如对多个表的操作，作为本地事务看待。数据库的事务处理对象是本地事务，而分布式事务处理的对象是全局事务。 所谓全局事务，是指分布式事务处理环境中，多个数据库可能需要共同完成一个工作，这个工作即是一个全局事务，例如，一个事务中可能更新几个不同的数据库。对数据库的操作发生在系统的各处但必须全部被提交或回滚。此时一个数据库对自己内部所做操作的提交不仅依赖本身操作是否成功，还要依赖与全局事务相关的其它数据库的操作是否成功，如果任一数据库的任一操作失败，则参与此事务的所有数据库所做的所有操作都必须回滚。 一般情况下，某一数据库无法知道其它数据库在做什么，因此，在一个 DTP 环境中，交易中间件是必需的，由它通知和协调相关数据库的提交或回滚。而一个数据库只将其自己所做的操作（可恢复）影射到全局事务中。
XA 就是 X/Open DTP 定义的交易中间件与数据库之间的接口规范（即接口函数），交易中间件用它来通知数据库事务的开始、结束以及提交、回滚等。 XA 接口函数由数据库厂商提供。
二阶提交协议和三阶提交协议就是根据这一思想衍生出来的。可以说二阶段提交其实就是实现XA分布式事务的关键(确切地说：两阶段提交主要保证了分布式事务的原子性：即所有结点要么全做要么全不做)
2PC
二阶段提交(Two-phaseCommit)是指，在计算机网络以及数据库领域内，为了使基于分布式系统架构下的所有节点在进行事务提交时保持一致性而设计的一种算法(Algorithm)。通常，二阶段提交也被称为是一种协议(Protocol))。在分布式系统中，每个节点虽然可以知晓自己的操作时成功或者失败，却无法知道其他节点的操作的成功或失败。当一个事务跨越多个节点时，为了保持事务的ACID特性，需要引入一个作为协调者的组件来统一掌控所有节点(称作参与者)的操作结果并最终指示这些节点是否要把操作结果进行真正的提交(比如将更新后的数据写入磁盘等等)。因此，二阶段提交的算法思路可以概括为：参与者将操作成败通知协调者，再由协调者根据所有参与者的反馈情报决定各参与者是否要提交操作还是中止操作。
所谓的两个阶段是指：第一阶段：准备阶段(投票阶段)和第二阶段：提交阶段（执行阶段）。
准备阶段
事务协调者(事务管理器)给每个参与者(资源管理器)发送Prepare消息，每个参与者要么直接返回失败(如权限验证失败)，要么在本地执行事务，写本地的redo和undo日志（事务日志），但不提交，也就意味数据未写到磁盘只是写到了事务日志内且资源一直被加锁，直到第二阶段完成后，资源才会释放。也就是说的阻塞，这在高并发中会影响性能
可以进一步将准备阶段分为以下三个步骤：
1）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(vote)，并开始等待各参与者节点的响应。
2）参与者节点执行本地的事务操作，并将Undo信息和Redo信息写入日志，但并没有提交。
3）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。
提交阶段
如果协调者收到了参与者的失败消息或者超时，直接给每个参与者发送回滚(Rollback)消息；否则，发送提交(Commit)消息；参与者根据协调者的指令执行提交或者回滚操作，释放所有事务处理过程中使用的锁资源。(只有在事务结束后才会释放锁资源)
接下来分两种情况分别讨论提交阶段的过程。
当协调者节点在准备阶段从所有参与者节点获得的相应消息都为”同意”时:
success
1）协调者节点向所有参与者节点发出”正式提交(commit)”的请求。
2）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。
3）参与者节点向协调者节点发送”完成”消息。
4）协调者节点受到所有参与者节点反馈的”完成”消息后，完成事务。
如果任一参与者节点在准备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：
fail
1）协调者节点向所有参与者节点发出”回滚操作(rollback)”的请求。
2）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。
3）参与者节点向协调者节点发送”回滚完成”消息。
4）协调者节点受到所有参与者节点反馈的”回滚完成”消息后，取消事务。
不管最后结果如何，第二阶段都会结束当前事务。
二阶段提交看起来确实能够提供原子性的操作，但是不幸的事，二阶段提交还是有几个缺点的：
1、同步阻塞问题。执行过程中，所有参与节点都是事务阻塞型的。当参与者占有公共资源加锁后，其他操作想要操作该公共资源必须得等该公共资源释放后，即第二阶段结束（事务提交），具有性能影响。
2、协调者挂机导致参与者阻塞。由于协调者的重要性，一旦协调者发生故障，参与者就会处于阻塞状态。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，这时可以重新选举一个新地 协调者，在新协调者成功启动之前参与者将会一直处于阻塞状态。
3、数据不一致。在二阶段提交的阶段二中，当协调者向参与者发送commit请求之后，发生了局部网络异常或者在发送commit请求过程中协调者发生了故障，这回导致只有一部分参与者接受到了commit请求。而在这部分参与者接到commit请求之后就会执行commit操作。但是其他部分未接到commit请求的机器则无法执行事务提交。于是整个分布式系统便出现了数据部一致性的现象。
4、二阶段无法解决的问题：协调者再发出commit消息之后宕机，而唯一接收到这条消息的参与者同时也宕机了。那么即使协调者通过选举协议产生了新的协调者，这条事务的状态也是不确定的，没人知道事务是否被已经提交。
由于二阶段提交存在着诸如同步阻塞、协调者宕机后阻塞、脑裂等缺陷等问题，所以研究者们在二阶段提交的基础上做了改进，提出了三阶段提交。
3PC
三阶段提交（Three-phase commit），也叫三阶段提交协议（Three-phase commit protocol），是二阶段提交（2PC）的改进版本。
3
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。注意此阶段并没有执行事务，执行事务是在PreCommit阶段，也就是没有加锁。
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
协调者根据参与者在CanCommit阶段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。
假如协调者在CanCommit阶段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，对资源进行加锁。
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。
假如在CanCommit阶段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，即对所有资源进行释放，也可以分为以下两种情况。
执行提交
1.发送提交请求 协调者在PreCommit阶段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 协调者在PreCommit阶段没有接收到某个参与者发送的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主要解决了协调者宕机之后事务阻塞的问题，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。
了解了2PC和3PC之后，我们可以发现，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，所有其他一致性算法都是Paxos算法的不完整版。后面的文章会介绍这个公认为难于理解但是行之有效的Paxos算法。
2pc与3pc的数据不一致的问题
作为一个分布式的一致性协议，我们主要关注他可能带来的一致性问题的。
2PC在执行过程中可能发生协调者或者参与者突然宕机的情况，在不同时期宕机可能有不同的现象。
情况一：协调者挂了，参与者没挂
这种情况其实比较好解决，只要找一个协调者的替代者。当他成为新的协调者的时候，询问所有参与者的最后那条事务的执行情况，他就可以知道是应该做什么样的操作了。所以，这种情况不会导致数据不一致。
情况二：参与者挂了，协调者没挂
这种情况其实也比较好解决。如果协调者挂了。那么之后的事情有两种情况：
第一个是挂了就挂了，没有再恢复。那就挂了呗，反正不会导致数据一致性问题。
第二个是挂了之后又恢复了，这时如果他有未执行完的事务操作，直接取消掉，然后询问协调者目前我应该怎么做，协调者就会比对自己的事务执行记录和该参与者的事务执行记录，告诉他应该怎么做来保持数据的一致性。
情况三：参与者挂了，协调者也挂了
这种情况比较复杂，我们分情况讨论。
协调者和参与者在第一阶段挂了。
由于这时还没有执行commit操作，新选出来的协调者可以询问各个参与者的情况，再决定是进行commit还是roolback。因为还没有commit，所以不会导致数据一致性问题。
第二阶段协调者和参与者挂了，挂了的这个参与者在挂之前并没有接收到协调者的指令，或者接收到指令之后还没来的及做commit或者roolback操作。
这种情况下，当新的协调者被选出来之后，他同样是询问所有的参与者的情况。只要有机器执行了abort（roolback）操作或者第一阶段返回的信息是No的话，那就直接执行roolback操作。如果没有人执行abort操作，但是有机器执行了commit操作，那么就直接执行commit操作。这样，当挂掉的参与者恢复之后，只要按照协调者的指示进行事务的commit还是roolback操作就可以了。因为挂掉的机器并没有做commit或者roolback操作，而没有挂掉的机器们和新的协调者又执行了同样的操作，那么这种情况不会导致数据不一致现象。
第二阶段协调者和参与者挂了，挂了的这个参与者在挂之前已经执行了操作。但是由于他挂了，没有人知道他执行了什么操作。
这种情况下，新的协调者被选出来之后，如果他想负起协调者的责任的话他就只能按照之前那种情况来执行commit或者roolback操作。这样新的协调者和所有没挂掉的参与者就保持了数据的一致性，我们假定他们执行了commit。但是，这个时候，那个挂掉的参与者恢复了怎么办，因为他之前已经执行完了之前的事务，如果他执行的是commit那还好，和其他的机器保持一致了，万一他执行的是roolback操作那？这不就导致数据的不一致性了么？虽然这个时候可以再通过手段让他和协调者通信，再想办法把数据搞成一致的，但是，这段时间内他的数据状态已经是不一致的了！
所以，2PC协议中，如果出现协调者和参与者都挂了的情况，有可能导致数据不一致。
为了解决这个问题，衍生除了3PC。我们接下来看看3PC是如何解决这个问题的。
三阶段提交协议（3PC）
3PC最关键要解决的就是协调者和参与者同时挂掉的问题，所以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。在第一阶段，只是询问所有参与者是否可可以执行事务操作，并不在本阶段执行事务操作。当协调者收到所有的参与者都返回YES时，在第二阶段才执行事务操作，然后在第三阶段在执行commit或者rollback。
这里再举一个生活中类似三阶段提交的例子：
班长要组织全班同学聚餐，由于大家毕业多年，所以要逐个打电话敲定时间，时间初定10.1日。然后开始逐个打电话。
班长：小A，我们想定在10.1号聚会，你有时间嘛？有时间你就说YES，没有你就说NO，然后我还会再去问其他人，具体时间地点我会再通知你，这段时间你可先去干你自己的事儿，不用一直等着我。（协调者询问事务是否可以执行，这一步不会锁定资源）
小A：好的，我有时间。（参与者反馈）
班长：小B，我们想定在10.1号聚会……不用一直等我。
班长收集完大家的时间情况了，一看大家都有时间，那么就再次通知大家。（协调者接收到所有YES指令）
班长：小A，我们确定了10.1号聚餐，你要把这一天的时间空出来，这一天你不能再安排其他的事儿了。然后我会逐个通知其他同学，通知完之后我会再来和你确认一下，还有啊，如果我没有特意给你打电话，你就10.1号那天来聚餐就行了。对了，你确定能来是吧？（协调者发送事务执行指令，这一步锁住资源。如果由于网络原因参与者在后面没有收到协调者的命令，他也会执行commit）
小A顺手在自己的日历上把10.1号这一天圈上了，然后跟班长说，我可以去。（参与者执行事务操作，反馈状态）
班长：小B，我们觉得了10.1号聚餐……你就10.1号那天来聚餐就行了。
班长通知完一圈之后。所有同学都跟他说：”我已经把10.1号这天空出来了”。于是，他在10.1号这一天又挨个打了一遍电话告诉他们：嘿，现在你们可以出门拉。。。。（协调者收到所有参与者的ACK响应，通知所有参与者执行事务的commit）
小A，小B：我已经出门拉。（执行commit操作，反馈状态）
3PC为什么比2PC好？
直接分析协调者和参与者都挂的情况。
第二阶段协调者和参与者挂了，挂了的这个参与者在挂之前已经执行了操作。但是由于他挂了，没有人知道他执行了什么操作。
这种情况下，当新的协调者被选出来之后，他同样是询问所有的参与者的情况来觉得是commit还是roolback。这看上去和二阶段提交一样啊？他是怎么解决一致性问题的呢？
看上去和二阶段提交的那种数据不一致的情况的现象是一样的，但仔细分析所有参与者的状态的话就会发现其实并不一样。我们假设挂掉的那台参与者执行的操作是commit。那么其他没挂的操作者的状态应该是什么？他们的状态要么是prepare-commit要么是commit。因为3PC的第三阶段一旦有机器执行了commit，那必然第一阶段大家都是同意commit。所以，这时，新选举出来的协调者一旦发现未挂掉的参与者中有人处于commit状态或者是prepare-commit的话，那就执行commit操作。否则就执行rollback操作。这样挂掉的参与者恢复之后就能和其他机器保持数据一致性了。（为了简单的让大家理解，笔者这里简化了新选举出来的协调者执行操作的具体细节，真实情况比我描述的要复杂）
简单概括一下就是，如果挂掉的那台机器已经执行了commit，那么协调者可以从所有未挂掉的参与者的状态中分析出来，并执行commit。如果挂掉的那个参与者执行了rollback，那么协调者和其他的参与者执行的肯定也是rollback操作。
所以，再多引入一个阶段之后，3PC解决了2PC中存在的那种由于协调者和参与者同时挂掉有可能导致的数据一致性问题。
3PC存在的问题
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。
所以，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。
参考文档
关于分布式事务、两阶段提交协议、三阶提交协议
[深入理解2pc和3pc(https://www.hollischuang.com/archives/1580)
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