漫谈分布式系统（十）：初探分布式事务

这是《漫谈分布式系统》系列的第 10 篇，预计会写 30 篇左右。每篇文末有为懒人准备的 TL;DR，还有给勤奋者的关联阅读。扫描文末二维码，关注公众号，听我娓娓道来。也欢迎转发朋友圈分享给更多人。

无心插柳，用分布式事务来解决数据一致性

上一篇，我们对分布式系统的一致性问题有了基本的了解。详细介绍了单主同步的数据复制机制，虽然已经 best effort guarantee，但仍然不能保证想要的强一致性。

然后通过对 data replication 的本质分析，发现了用事务解决数据一致性问题的可能。

虽然事务可以用来解决数据复制过程中的一致性问题，但事务的初衷却不是这个，至少不只是这样。所以，我们有必要好好了解下分布式事务。

不一致的根源

副本上的数据会不一致，是因为机器、网络故障等原因，导致要么副本间不知道彼此不一样，要么知道不一样但是解决不了。

本质上，是因为 每个副本都只掌握了局部信息，无法做出正确的决策。

对症下药，如果每个副本都能知道全部的信息，就能做出正确的决策了。

但这样带来的信息同步消耗，以及更多更复杂的流程带来更高的出错可能，事实上就不可行了。

折中下，不用所有副本，只要有一个副本（把这部分功能抽离出来并赋予新的角色）掌握所有信息，再让它去协调其他副本。

这个思想，其实在单 master 多 slave 的架构上已经有体现，master 作为特殊的副本，就已经充当了协调者的功能，只不过是分别独立地向其他副本做数据复制。而现在需要把这些各自独立的协调工作合并起来考虑。

解决故障的另一种思路

一个复杂的分布式系统，可能出故障的地方实在太多了：

• 服务器可能宕机，还要分成重启就能恢复和永远恢复不了。

• 网络故障，还要分成偶然抖动和长期故障。

• 服务故障，还要分成不同角色是否同时故障。

• ......

我们还需要为每种可能的故障，去设计应对机制，以副本问题为例：

• 为了应对故障，必须要有副本。

• 为了应对 IDC 级别的故障，副本必须分布在不同的机房。

• 为了应对交换机级别的故障，不能把所有副本都放在同一个交换机。

• ...

这样不仅很难覆盖所有可能的故障，势必还会导致系统设计和实现越来越复杂，反过来影响系统的可靠性。

能不能换个思路，我知道故障可能发生，并且会有各种不同的故障，甚至有时候都没法判断当前发生的是什么故障。

但是我不想再这么细粒度的去处理这个问题，我就大老粗一点，先去操作着，能成功最好；如果失败了，不管因为什么原因失败，恢复现场，待会再重新操作一遍。

2PC

上面两个思想结合起来，就有了所谓 2PC（Two Phase Commit）。2PC 也是分布式事务的典型实现方式之一。

给协调的角色一个新的名字叫协调者（Coordinator），其他参与角色就叫参与者（ Participant）。

协调者作为核心，掌握全局信息，拥有决策的能力和权利。参与者只用关注自己，安心的干活。

之所以叫 2PC，正是因为整个事务提交被分成了两个阶段：准备（Prepare）和提交（Commit）。

主要执行流程如下：

1. 协调者收到应用端提过来的事务请求后，向所有参与者发送 Prepare 指令。

2. 参与者在本地做好保证事务一定能成功的准备工作，如获取锁等，并记录 redo log 和 undo log，以便重做或回滚（类似单机事务）。如果能满足，则返回 Yes 给协调者，否则返回 No。

3. 协调者收到所有参与者的回复后，汇总检查并记录在本地事务日志中，如果所有回复都是 Yes，则向所有参与者发送 Commit 指令，否则发送 Abort 指令。

4. 参与者接收到协调者的指令，如果是 Commit 指令，就正式提交事务；如果是 Abort 指令，则依据 undo log 执行回滚操作。

看起来很好地满足了需求，但2PC 是否足够完美，我们还要仔细分析下执行过程。可以从几个维度来分析：

• 过程 ：两个阶段一共有 4 次消息传递，还可以细分为消息传输前中后。

• 故障点 ：可能发生故障的有服务器（参与者、协调者）和网络，还可以细分为单个故障和同时多个故障。

• 故障类型 ：可恢复的机器故障（fail-recover）、不可恢复的机器故障（fail-dead）、网络抖动（偶然丢包）、网络分区（较长时间的网络不通）。

• 影响 ：短期阻塞影响性能、永久阻塞影响可用性、数据一致性问题。

我尝试过把以上这些维度全部组合考虑，但实在太复杂了，我们先找一些规律和共性，排除掉一些组合，只关注重点情况。

对于过程：

• 第一阶段由于不会实际提交数据，所以可以在发生故障后取消整个事务，不会有副作用，只是过程中可能会阻塞。

• 第二个阶段就会实际提交数据了，一旦发生部分提交，就可能导致数据一致性问题。更具体地，由于参与者的回复消息丢失时，事务已经实际执行完毕，不会产生副作用，因此只关注协调者发送的消息部分送达的情况。

对于故障点和故障类型：

• fail-recover 类的故障，由于协调和和参与者都会在本地持久化事务状态，再加上消息重试机制，都只会阻塞当前事务，或者由于当前事务占用了资源（如获取锁）导致其他事务阻塞，但不会导致数据一致性问题。

• fail-dead 类的故障，由于本地事务状态丢失，就有数据不一致的可能。参与者 fail-dead 可以从其他参与者复制数据，而协调者的 fail-dead 就没地方可以复制了，需要重点关注。

• 网络抖动类的故障，可以通过消息重试解决，只会导致阻塞，不会导致一致性问题（严格来讲，重试成功前，数据也是不一致的）。

• 网络分区类的故障，通过上篇文章对 CAP 的分析，是导致数据一致性问题的重要原因，需要重点关注。

（BTW，看起来好多问题都是消息部分送达导致的，看起来协调者需要把给多个参与者发送 commit 做成一个事务啊。但是这不还在设计事务的过程中吗，禁止套娃！）

从上面的分析，可以先有第一个结论， 短时阻塞是随时随地都可能发生的，这是同步操作的天性，也是 2PC 无法回避的缺点。

然后，我们重点关注以下可能导致系统 永久阻塞 和 数据一致性问题 的维度：

• 对于过程，我们关注第二阶段，并且重点关注第二阶段部分消息传递成功的情况，这种情况才会造成实际影响。

• 对于故障点和故障类型，我们关注协调者 fail-dead 和网络分区这两类。

逐个按编号解释下：

• 编号 1，协调者发出 commit/abort 消息后死掉，部分参与者接收到了，部分没有。新的协调者被选出后，只能去询问所有参与者相关事务的状态，得到部分有指令部分无指令的回复。足以判断这个事务是已经决定要 commit 还是 abort 的，于是只需要向没有收到指令的参与者再次发送指令即可。

• 编号 2 和 3，协调者发出 commit/abort 消息后死掉，部分参与者接收到了，部分没有。新的协调者被选出后，照例去询问所有参与者相关事务的状态。假设只有一个参与者没有回复，其他参与者都给出了自己的回复，要么全是 commit 或 abort，要么没有收到任何指令。收到回复的情况下，参与者就能确定之前的决策；但如果没有回复，参与者就无法确定之前的决策了。如果发生故障的参与者 fail-recover 了，自然就能从它那里知道状态，只是会阻塞而已。但如果发生故障的参与者 fail-dead 了，决策结果就永远丢失了，事务会永远阻塞下去，并且这个参与者可能在死前已经完成了 commit 操作，就会导致了不一致问题的产生。

过程麻烦，结论倒挺简单， 当协调者和部分参与者同时 fail-dead 时，有可能导致永久阻塞，并出现数据一致性问题。

而对于网络分区，当协调者发出 commit/abort 消息后发生网络分区，部分参与者接收到了，部分没有。没有协调者的分区会选举出新的协调者。 如果收到和没收到消息的参与者正好全部分散在不同的网络分区，各个协调者就会做出不同的判断，导致分区间数据不一致。

上面把 fail-dead 和网络分区两类故障分开来分析，当两者组合产生时，类似按位或的效果。

总结下，2PC 主要会产生两类三种问题：

1. 短时阻塞问题，影响性能或短时可用性（协调者为了避免单点故障导致的长时间阻塞，通常会 standby 备节点，也可以归为此类）。

2. 协调者和部分参与者同时 fail-dead 后，可能导致系统永久阻塞，以及产生一致性问题。

3. 网络分区后的一致性问题。

3PC

上篇文章，正是为了解决数据一致性问题，才引出了这篇的分布式事务。好不容易设计出了 2PC，想不到又搞出了一致性问题，还可能有无法恢复的阻塞，不能被自己想解决的问题给解决掉了啊，得想办法。

仔细想想，协调者和参与者同时 fail-dead，新的协调者被选举出来后，为什么无法判断当前事务到底应该 commit 还是 abort 呢？我们定义协调者这个角色，目的就是让它有决策的能力，为什么这种情况下，却没有判断的能力了？

关键就在于上面我们给问题 「降维」时提到的这句话： 协调和和参与者都会在本地持久化事务状态 。

正是因为事务状态在每台机器都做了本地持久化，才使得我们能保证 fail-recover 类的故障不会导致无法决策。

但在 fail-dead 的情况下，事务状态就丢失了。如果所有已经本地持久化好事务状态的机器都死了，那状态就彻底丢失了。比如上面提到的例子，协调者在发出第一个提交指令后就 fail-dead，而收到指令的那个参与者正好也 fail-dead 了，剩下再多参与者也是徒劳。

问题的源头找到了，既然是事务状态 -- 主要是由第一阶段投票结果产生的决策结果 -- 的丢失导致了这个问题，那我们就 把决策结果发给所有参与者，然后才去执行真正的提交动作。这样，只要有一台机器还活着（全挂的情况需要通过多机架等节点分布方案来避免），决策结果就还在。

这就是所谓 3PC（Three Phase Commit）的思路。

在 2PC 的两个阶段中间，插入一个专门用来同步决策结果的步骤。只有这个步骤成功了，才会进入下一阶段，否则重试或 abort。

• Can-Commit，类似 2PC 里的 Prepare 阶段。

• Pre-Commit，新增的阶段，决策者向参与者同步决策结果。

• Do-Commit，类似 2PC 里的 Commit 阶段。

3PC 很好地解决了 2PC 的第 2 个问题。但对第 3 个问题 -- 网络分区后的数据一致性问题依然没有办法。而 2PC 的第一个问题 -- 短时阻塞导致的性能损耗，更是同步类的方案的通病，3PC 也无能为力。

另外，2PC 在没有 standby 协调者的情况下，只要协调者故障，就会导致整个系统长时间阻塞，也因此被算作 blocking 算法。

3PC 多加的一个阶段除了解决可能的一致性问题外，也解决了阻塞问题。为了进一步缓解阻塞，参考协调者的做法，在参与者这端也引入了超时机制。在 Pre-Commit 后，如果没有收到 Do-Commit 指令，超时后会自动 Commit。

这样，3PC 虽然可以勉强称为非阻塞（noblocking，这里的阻塞指永久阻塞，不包括由于同步操作导致的短时阻塞）算法，但又增加了数据不一致的可能性。后面文章，我们会专门探讨，超时机制看似可靠实际却充满不确定性。

虽然 3PC 在算法层面比 2PC 更好，但多加的一轮消息同步，让本就不佳的性能雪上加霜；对非阻塞的追求又引入了新的不一致可能；而对网络分区也没有很好的办法。所以在现实中，并没有如预期得到比 2PC 更多的应用。

而反倒是 2PC，由于基本实现了分布式事务的目标，形成了一个叫做 XA（eXtended Architecture）的标准，被 PostgreSQL、 MySQL 和 Oracle 等数据库广泛采用，并得到了各种语言和 API 的支持。

这也是理论和实践不同取舍的体现。

除了 2PC 和 3PC，还有所谓 TCC（Try-Comfirm-Cancel） 的分布式事务实现方式。

TCC 和 2PC/3PC 思想类似，只是把应用层耦合进了整个流程，这里不再赘述。

TL;DR

• 不一致的根本，是每个副本都只掌握了局部信息，无法做出正确的决策。需要有角色能掌握全部信息。

• 与其被动逐个解决问题，不如考虑先尝试，失败再回滚的方式，也就是事务。

• 2PC 是分布式事务的典型实现，分为 Prepare-Commit 两个阶段，协调好了再操作。

• 2PC 在一些情况下会有阻塞和数据一致性问题。

• 3PC 通过多插入一轮消息来同步决策结果，解决了协调者和参与者同时挂掉时的阻塞问题。

• 3PC 虽然缓解了阻塞，解决了一些数据不一致问题，但也牺牲了性能，并引入了新的数据不一致的可能。

• 2PC 和 3PC 都不能提供分区容忍性。

上一篇，我们把数据一致性问题的解决办法分为了预防类和先污染后治理类。然后介绍了一种预防类的一致性解法 -- 单主同步。

这一篇，粗略介绍了分布式事务的几种实现方式，作为第二种预防类的一致性解法。

然而，这两种解法，碰到网络分区都无能为力。

而我们在介绍 CAP 时说过，网络分区是无法回避的问题。所以，下一篇，我们就一起看下，有没有什么预防类的一致性算法，是能够提供分区容忍性的。

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漫谈分布式系统(9) -- 初探数据一致性

原创不易

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