分布式事务：基本原理CAP&BASE

分布式事务

CAP定理与BASE理论

CAP定理

分布式存储系统的CAP原理（分布式系统的三个指标）：

1. Consistency（强一致性）：在分布式系统中的所有数据备份，在同一时刻是否同样的值。

   对于数据分布在不同节点上的数据来说，如果在某个节点更新了数据，那么在其他节点如果都能读取到这个最新的数据，那么就称为强一致，如果有某个节点没有读取到，那就是分布式不一致。

2. Availability（可用性）：在集群中一部分节点故障后，集群整体是否还能响应客户端的读写请求。（要求数据需要备份）

3. Partition tolerance（分区容忍性）：大多数分布式系统都分布在多个子网络。每个子网络就叫做一个区（partition）。分区容错的意思是，区间通信可能失败。

CAP理论就是说在分布式存储系统中，最多只能实现上面的两点。而由于当前的网络硬件肯定会出现延迟丢包等问题，所以分区容忍性是我们无法避免的。所以我们只能在一致性和可用性之间进行权衡，没有系统能同时保证这三点。要么选择CP、要么选择AP。

分布式系统中实现一致性的Raft算法原理：

动画地址：

http://thesecretlivesofdata.com/raft/

https://raft.github.io/

领导选举（自旋时间结束->候选者->发请求让别人投票->大多数投票成功->领导(维护心跳)->领导给随从发日志）+日志复制

来保证集群的一致性，即使有分区错误，也能保持一致性；

面临的问题

对于大多数大型互联网应用场景，主机众多，部署分散，而且现在的集群规模越来越大，所以节点故障，网络故障是常态，而且要保证服务可用性达到99.9999999999(N个9)，即保证P和A，舍弃C

BASE理论

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结论，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（Strong consistency），但每个应用都可以根据自身的业务特点，采用适当的方式来使系统达到最终一致性（Eventual consistency）。接下来看看BASE中的三要素：

1. Basically Available（基本可用）

   基本可用是指分布式系统在出现故障的时候，允许损失部分可用性，即保证核心可用。
   电商大促时，为了应对访问量激增，部分用户可能会被引导到降级页面，服务层也可能只提供降级服务。这就是损失部分可用性的体现。

2. Soft state（软状态）

   软状态是指允许系统存在中间状态，而该中间状态不会影响系统整体可用性。分布式存储中一般一份数据至少会有三个副本，允许不同节点间副本同步的延时就是软状态的体现。mysql replication的异步复制也是一种体现。

3. Eventually consistent（最终一致性）

   最终一致性是指系统中的所有数据副本经过一定时间后，最终能够达到一致的状态。弱一致性和强一致性相反，最终一致性是弱一致性的一种特殊情况。

BASE模型是传统ACID模型的反面，不同于ACID，BASE强调牺牲高一致性，从而获得可用性，数据允许在一段时间内的不一致，只要保证最终一致就可以了。

一致性有强一致性、弱一致性、最终一致性；分布式事务就是围绕我们想要保持什么样的一致性来做的；

分布式事务方案

分布式事务是企业集成中的一个技术难点，也是每一个分布式系统架构中都会涉及到的一个东西，特别是在微服务架构中，几乎可以说是无法避免。

主流的解决方案如下：

1. 基于XA协议的两阶段提交（2PC）
2. TCC编程模式
3. 消息事务+最终一致性

2PC模式

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）、提交阶段（commit phase），2是指两个阶段，P是指准备阶段，C是指提交阶段。

第一阶段：事务协调器要求每个涉及到事务的数据库预提交(precommit)此操作，并反映是否可以提交.

第二阶段：事务协调器要求每个数据库提交数据。

其中，如果有任何一个数据库否决此次提交，那么所有数据库都会被要求回滚它们在此事务中的那部分信息。

目前主流数据库均支持2PC【2 Phase Commit】

XA 是一个两阶段提交协议，又叫做 XA Transactions。

MySQL从5.5版本开始支持，SQL Server 2005 开始支持，Oracle 7 开始支持。

总的来说，XA协议比较简单，而且一旦商业数据库实现了XA协议，使用分布式事务的成本也比较低。但是，XA也有致命的缺点，那就是性能不理想，特别是在交易下单链路，往往并发量很高，XA无法满足高并发场景。

1. 两阶段提交涉及多次节点间的网络通信，通信时间太长！
2. 事务时间相对于变长了，锁定的资源的时间也变长了，造成资源等待时间也增加好多。
3. XA目前在商业数据库支持的比较理想，在mysql数据库中支持的不太理想，mysql的XA实现，没有记录prepare阶段日志，主备切换会导致主库与备库数据不一致。许多nosql也没有支持XA，这让XA的应用场景变得非常狭隘。

对应的开源框架：atomikos

Seata的AT模式两阶段提交协议的演变：不同的是在一阶段就提交了

• 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。
• 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。

柔性事务-TCC事务补偿型方案

刚性事务：遵循ACID原则，强一致性；

柔性事务：遵循BASE理论，最终一致性；

与刚性事务不同，柔性事务允许在一定时间内，不同节点的数据不一致，但要求最终一致性

是一种编程式分布式事务解决方案。

TCC 其实就是采用的补偿机制，其核心思想是：针对每个操作，都要注册一个与其对应的确认和补偿（撤销）操作。TCC模式要求从服务提供三个接口：Try、Confirm、Cancel。

• Try：主要是对业务系统做检测及资源预留
• Confirm：真正执行业务，不作任何业务检查；只使用Try阶段预留的业务资源；Confirm操作满足幂等性。
• Cancel：释放Try阶段预留的业务资源；Cancel操作满足幂等性。

整个TCC业务分成两个阶段完成：

第一阶段：主业务服务分别调用所有从业务的try操作，并在活动管理器中登记所有从业务服务。当所有从业务服务的try操作都调用成功或者某个从业务服务的try操作失败，进入第二阶段。

第二阶段：活动管理器根据第一阶段的执行结果来执行confirm或cancel操作。如果第一阶段所有try操作都成功，则活动管理器调用所有从业务活动的confirm操作。否则调用所有从业务服务的cancel操作。

举个例子，假如 Bob 要向 Smith 转账100元，思路大概是：

我们有一个本地方法，里面依次调用

1. 首先在 Try 阶段，要先检查Bob的钱是否充足，并把这100元锁住，Smith账户也冻结起来。

2. 在 Confirm 阶段，执行远程调用的转账的操作，转账成功进行解冻。

3. 如果第2步执行成功，那么转账成功，如果第二步执行失败，则调用远程冻结接口对应的解冻方法 (Cancel)。

缺点：

• Canfirm和Cancel的幂等性很难保证。
• 这种方式缺点比较多，通常在复杂场景下是不推荐使用的，除非是非常简单的场景，非常容易提供回滚Cancel，而且依赖的服务也非常少的情况。
• 这种实现方式会造成代码量庞大，耦合性高。而且非常有局限性，因为有很多的业务是无法很简单的实现回滚的，如果串行的服务很多，回滚的成本实在太高。

不少大公司里，其实都是自己研发 TCC 分布式事务框架的，专门在公司内部使用。国内开源出去的：ByteTCC，TCC-transaction，Himly。

柔性事务-最终一致性

柔性事务-可靠消息-最终一致性方案（异步确保型）

基于消息中间件的两阶段提交往往用在高并发场景下，将一个分布式事务拆成一个消息事务（A系统的本地操作+发消息）+B系统的本地操作，其中B系统的操作由消息驱动，只要消息事务成功，那么A操作一定成功，消息也一定发出来了，这时候B会收到消息去执行本地操作，如果本地操作失败，消息会重投，直到B操作成功，这样就变相地实现了A与B的分布式事务。

虽然上面的方案能够完成A和B的操作，但是A和B并不是严格一致的，而是最终一致的，我们在这里牺牲了一致性，换来了性能的大幅度提升。当然，这种玩法也是有风险的，如果B一直执行不成功，那么一致性会被破坏，具体要不要玩，还是得看业务能够承担多少风险。

适用于高并发最终一致

总结

高并发最终一致：柔性事务-可靠消息-最终一致性方案

低并发基本一致：二阶段提交

高并发强一致：暂时没有解决方案