图解分布式事务中的2PC与Seata方案

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文章导图

什么是2PC

2PC即两阶段提交协议，是将整个事务流程分为两个阶段：准备阶段（Prepare phase）和提交阶段（Commit phase）。2PC中的“2”指的是两个段，“P”指的是准备阶段，“C”指的是提交阶段。下面讲个故事帮助理解：

故事背景：张三和李四是两个老朋友，他们决定一起出去吃饭。饭店老板的规定是：只有两人都付款，才能出票安排就餐。因此，他们面临一个需要协调的事务，类似于计算机科学中的“两阶段提交协议”。

准备阶段： 老板首先向张三要求付款。张三虽然有些不情愿，但还是支付了自己的部分。接着，老板又要求李四付款，李四也付了款。

提交阶段： 老板确认两人都已经付款，于是出票，两人各自拿到票后，愉快地坐下开始就餐。

但如果其中一人，比如说张三，拒绝付款，或者李四发现自己的钱不够，那么老板就不会出票，并会把已经收到的钱退还给张三。这样，虽然他们最终没有就餐，但他们的资金也没有损失。

在这个故事中，饭店老板就像事务管理器，负责协调整个过程，确保只有在所有条件都满足的情况下才执行最终的操作（出票）。而张三和李四则像事务参与者，负责各自部分的操作（付款）。如果任何一个环节出了问题，事务管理器就会回滚整个事务，确保没有人会受到损失。

在计算机中，部分关系数据库如Oracle、MySQL支持两阶段提交协议。如下图：

1. 准备阶段（Prepare phase）：事务管理器给每个参与者发送Prepare消息，每个数据库参与者在本地执行事务，并写本地的Undo/Redo日志，此时事务没有提交。（Undo日志是记录修改前的数据，用于数据库回滚，Redo日志是记录修改后的数据，用于提交事务后写入数据文件）

2. 提交阶段（commit phase）：如果事务管理器收到了参与者的执行失败或者超时消息时，直接给每个参与者发送回滚(Rollback)消息；否则，发送提交(Commit)消息；参与者根据事务管理器的指令执行提交或者回滚操作，并释放事务处理过程中使用的锁资源。注意:必须在最后阶段释放锁资源。

解决传统2PC方案

XA方案

2PC的传统方案是在数据库层面实现的，如Oracle、MySQL都支持2PC协议。为了统一标准减少行业内不必要的对接成本，需要制定标准化的处理模型及接口标准，国际开放标准组织Open Group定义了分布式事务处理模型DTP（Distributed Transaction Processing Reference Model）。

DTP模型

• AP(Application Program)：即应用程序，可以理解为使用DTP分布式事务的程序。
• RM(Resource Manager)：即资源管理器，可以理解为事务的参与者，一般情况下是指一个数据库实例，通过资源管理器对该数据库进行控制，资源管理器控制着分支事务。
• TM(Transaction Manager)：事务管理器，负责协调和管理事务，事务管理器控制着全局事务，管理事务生命周期，并协调各个RM。全局事务是指分布式事务处理环境中，需要操作多个数据库共同完成一个工作，这个工作即是一个全局事务。

DTP模型定义TM和RM之间通讯的接口规范叫XA，简单理解为数据库提供的2PC接口协议，基于数据库的XA协议来实现2PC又称为XA方案。

以上三个角色之间的交互方式如下：

1）TM向AP提供 应用程序编程接口，AP通过TM提交及回滚事务。

2）TM交易中间件通过XA接口来通知RM数据库事务的开始、结束以及提交、回滚等。

举例：新用户注册送积分

为了让大家更明确XA方案的内容程，下面新用户注册送积分为例来说明：

执行流程如下：

1、应用程序（AP）持有用户库和积分库两个数据源。

2、应用程序（AP）通过TM通知用户库RM新增用户，同时通知积分库RM为该用户新增积分，RM此时并未提交事

务，此时用户和积分资源锁定。

3、TM收到执行回复，只要有一方失败则分别向其他RM发起回滚事务，回滚完毕，资源锁释放。

4、TM收到执行回复，全部成功，此时向所有RM发起提交事务，提交完毕，资源锁释放。

总结：

整个2PC的事务流程涉及到三个角色AP、RM、TM。AP指的是使用2PC分布式事务的应用程序；RM指的是资源管理器，它控制着分支事务；TM指的是事务管理器，它控制着整个全局事务。

1）在准备阶段RM执行实际的业务操作，但不提交事务，资源锁定；

2）在提交阶段TM会接受RM在准备阶段的执行回复，只要有任一个RM执行失败，TM会通知所有RM执行回滚操作，否则，TM将会通知所有RM提交该事务。提交阶段结束资源锁释放。

XA方案的问题：

1、需要本地数据库支持XA协议。

2、资源锁需要等到两个阶段结束才释放，性能较差。

Seata方案

• Seata是由阿里中间件团队发起的开源项目 Fescar，后更名为Seata，它是一个是开源的分布式事务框架。
• 传统2PC的问题在Seata中得到了解决，它通过对本地关系数据库的分支事务的协调来驱动完成全局事务，是工作在应用层的中间件。
• 主要优点是性能较好，且不长时间占用连接资源，它以高效并且对业务0侵入的方式解决微服务场景下面临的分布式事务问题，它目前提供AT模式(即2PC)及TCC模式的分布式事务解决方案。

设计思想

• Seata的设计目标其一是对业务无侵入，因此从业务无侵入的2PC方案着手，在传统2PC的基础上演进，并解决2PC方案面临的问题。
• Seata把一个分布式事务理解成一个包含了若干分支事务的全局事务。全局事务的职责是协调其下管辖的分支事务达成一致，要么一起成功提交，要么一起失败回滚。此外，通常分支事务本身就是一个关系数据库的本地事务。

与传统2PC 的模型类似，Seata定义了3个组件来协议分布式事务的处理过程：

• Transaction Coordinator (TC)： 事务协调器，它是独立的中间件，需要独立部署运行，它维护全局事务的运行状态，接收TM指令发起全局事务的提交与回滚，负责与RM通信协调各各分支事务的提交或回滚。
• Transaction Manager ™： 事务管理器，TM需要嵌入应用程序中工作，它负责开启一个全局事务，并最终向TC发起全局提交或全局回滚的指令。<