分布式

1. 分布式事物

不知道你是否遇到过这样的情况，去小卖铺买东西，付了钱，但是店主因为处理了一些其他事，居然忘记你付了钱，又叫你重新付。又或者在网上购物明明已经扣款，但是却告诉我没有发生交易。这一系列情况都是因为没有事务导致的。这说明了事务在生活中的一些重要性。有了事务，你去小卖铺买东西，那就是一手交钱一手交货。有了事务，你去网上购物，扣款即产生订单交易。

2. 事务的具体定义

什么是分布式事务

  1. 分布式事务指事务的参与者、支持事务的服务器、资源服务器以及事务管理器分别位于不同的分布式系统的不同节点之上。
    简单的说，就是一次大的操作由不同的小操作组成，这些小的操作分布在不同的服务器上，且属于不同的应用，分布式事务需要保证这些小操作要么全部成功，要么全部失败。

本质上来说，分布式事务就是为了保证不同数据库的数据一致性

  1. 事务提供一种机制将一个活动涉及的所有操作纳入到一个不可分割的执行单元，组成事务的所有操作只有在所有操作均能正常执行的情况下方能提交，只要其中任一操作执行失败，都将导致整个事务的回滚。

简单地说，事务提供一种“要么什么都不做，要么做全套（All or Nothing）”机制。

3. ACID（数据库事务）

说到数据库事务就不得不说，数据库事务中的四大特性 ACID：

A：原子性(Atomicity)，一个事务(transaction)中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成，不会结束在中间某个环节。

事务在执行过程中发生错误，会被回滚（Rollback）到事务开始前的状态，就像这个事务从来没有执行过一样。

就像你买东西要么交钱收货一起都执行，要么发不出货，就退钱。

C：一致性(Consistency)，事务的一致性指的是在一个事务执行之前和执行之后数据库都必须处于一致性状态。

如果事务成功地完成，那么系统中所有变化将正确地应用，系统处于有效状态。

如果在事务中出现错误，那么系统中的所有变化将自动地回滚，系统返回到原始状态。

I：隔离性(Isolation)，指的是在并发环境中，当不同的事务同时操纵相同的数据时，每个事务都有各自的完整数据空间。

由并发事务所做的修改必须与任何其他并发事务所做的修改隔离。事务查看数据更新时，数据所处的状态要么是另一事务修改它之前的状态，要么是另一事务修改它之后的状态，事务不会查看到中间状态的数据。

打个比方，你买东西这个事情，是不影响其他人的。

D：持久性(Durability)，指的是只要事务成功结束，它对数据库所做的更新就必须永久保存下来。

即使发生系统崩溃，重新启动数据库系统后，数据库还能恢复到事务成功结束时的状态。

打个比方，你买东西的时候需要记录在账本上，即使老板忘记了那也有据可查。

4. 分布式事务的基础

我们之前说过数据库的 ACID 四大特性，已经无法满足我们分布式事务，这个时候又有一些新的大佬提出一些新的理论。
CAP

CAP 定理，又被叫作布鲁尔定理。对于设计分布式系统(不仅仅是分布式事务)的架构师来说，CAP 就是你的入门理论。

C (一致性)：对某个指定的客户端来说，读操作能返回最新的写操作。

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。

A (可用性)：非故障的节点在合理的时间内返回合理的响应(不是错误和超时的响应)。可用性的两个关键一个是合理的时间，一个是合理的响应。

合理的时间指的是请求不能无限被阻塞，应该在合理的时间给出返回。合理的响应指的是系统应该明确返回结果并且结果是正确的，这里的正确指的是比如应该返回 50，而不是返回 40。

P (分区容错性)：当出现网络分区后，系统能够继续工作。打个比方，这里集群有多台机器，有台机器网络出现了问题，但是这个集群仍然可以正常工作。

熟悉 CAP 的人都知道，三者不能共有，如果感兴趣可以搜索 CAP 的证明，在分布式系统中，网络无法 100% 可靠，分区其实是一个必然现象。

如果我们选择了 CA 而放弃了 P，那么当发生分区现象时，为了保证一致性，这个时候必须拒绝请求，但是 A 又不允许，所以分布式系统理论上不可能选择 CA 架构，只能选择 CP 或者 AP 架构。

对于 CP 来说，放弃可用性，追求一致性和分区容错性，我们的 ZooKeeper 其实就是追求的强一致。

对于 AP 来说，放弃一致性(这里说的一致性是强一致性)，追求分区容错性和可用性，这是很多分布式系统设计时的选择，后面的 BASE 也是根据 AP 来扩展。

顺便一提，CAP 理论中是忽略网络延迟，也就是当事务提交时，从节点 A 复制到节点 B 没有延迟，但是在现实中这个是明显不可能的，所以总会有一定的时间是不一致。

同时 CAP 中选择两个，比如你选择了 CP，并不是叫你放弃 A。因为 P 出现的概率实在是太小了，大部分的时间你仍然需要保证 CA。

就算分区出现了你也要为后来的 A 做准备，比如通过一些日志的手段，是其他机器回复至可用。

5. 2PC

说到 2PC 就不得不聊数据库分布式事务中的 XA Transactions。

在 XA 协议中分为两阶段：

事务管理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。

事务协调器要求每个数据库提交数据，或者回滚数据。

优点：

尽量保证了数据的强一致，实现成本较低，在各大主流数据库都有自己实现，对于 MySQL 是从 5.5 开始支持。

缺点：

单点问题：事务管理器在整个流程中扮演的角色很关键，如果其宕机，比如在第一阶段已经完成，在第二阶段正准备提交的时候事务管理器宕机，资源管理器就会一直阻塞，导致数据库无法使用。

同步阻塞：在准备就绪之后，资源管理器中的资源一直处于阻塞，直到提交完成，释放资源。

数据不一致：两阶段提交协议虽然为分布式数据强一致性所设计，但仍然存在数据不一致性的可能。

比如在第二阶段中，假设协调者发出了事务 Commit 的通知，但是因为网络问题该通知仅被一部分参与者所收到并执行了 Commit 操作，其余的参与者则因为没有收到通知一直处于阻塞状态，这时候就产生了数据的不一致性。

总的来说，XA 协议比较简单，成本较低，但是其单点问题，以及不能支持高并发(由于同步阻塞)依然是其最大的弱点。

6. 3pc

3.1 简述

三阶段提交（Three-phase commit），是二阶段提交（2PC）的改进版本。

与两阶段提交不同的是，三阶段提交有两个改动点。

  • 引入超时机制。同时在协调者和参与者中都引入超时机制。

  • 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。

3.2 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。

  • 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。

  • 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

3.3 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。

  • 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。

  • 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。

  • 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。

  • 发送中断请求 协调者向所有参与者发送abort请求。

  • 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。

3.4 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

  • 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。

  • 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。

  • 响应反馈 事务提交完之后，向协调者发送Ack响应。

  • 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。

  • 发送中断请求 协调者向所有参与者发送abort请求

  • 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。

  • 反馈结果 参与者完成事务回滚之后，向协调者发送ACK消息

  • 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。

7. 2pc和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。

在2PC中一个参与者的状态只有它自己和协调者知晓，假如协调者提议后自身宕机，在协调者备份启用前一个参与者又宕机，其他参与者就会进入既不能回滚、又不能强制commit的阻塞状态，直到参与者宕机恢复。

参与者如果在不同阶段宕机，我们来看看3PC如何应对：

  • 阶段1: 协调者或协调者备份未收到宕机参与者的vote，直接中止事务；宕机的参与者恢复后，读取logging发现未发出赞成vote，自行中止该次事务

  • 阶段2: 协调者未收到宕机参与者的precommit ACK，但因为之前已经收到了宕机参与者的赞成反馈(不然也不会进入到阶段2)，协调者进行commit；协调者备份可以通过问询其他参与者获得这些信息，过程同理；宕机的参与者恢复后发现收到precommit或已经发出赞成vote，则自行commit该次事务

  • 阶段3: 即便协调者或协调者备份未收到宕机参与者t的commit ACK，也结束该次事务；宕机的参与者恢复后发现收到commit或者precommit，也将自行commit该次事务

8. BASE

BASE 是 Basically Available(基本可用)、Soft state(软状态)和 Eventually consistent (最终一致性)三个短语的缩写，是对 CAP 中 AP 的一个扩展。

基本可用：分布式系统在出现故障时，允许损失部分可用功能，保证核心功能可用。

软状态：允许系统中存在中间状态，这个状态不影响系统可用性，这里指的是 CAP 中的不一致。

最终一致：最终一致是指经过一段时间后，所有节点数据都将会达到一致。

BASE 解决了 CAP 中理论没有网络延迟，在 BASE 中用软状态和最终一致，保证了延迟后的一致性。

BASE 和 ACID 是相反的，它完全不同于 ACID 的强一致性模型，而是通过牺牲强一致性来获得可用性，并允许数据在一段时间内是不一致的，但最终达到一致状态。

分布式事务解决方案

有了上面的理论基础后，这里开始介绍几种常见的分布式事务的解决方案。

9. TCC（补偿事务）

关于 TCC（Try-Confirm-Cancel）的概念，最早是由 Pat Helland 于 2007 年发表的一篇名为《Life beyond Distributed Transactions：an Apostate’s Opinion》的论文提出。

TCC 事务机制相比于上面介绍的 XA，解决了如下几个缺点：

解决了协调者单点，由主业务方发起并完成这个业务活动。业务活动管理器也变成多点，引入集群。

同步阻塞：引入超时，超时后进行补偿，并且不会锁定整个资源，将资源转换为业务逻辑形式，粒度变小。

数据一致性，有了补偿机制之后，由业务活动管理器控制一致性。

对于 TCC 的解释：

Try 阶段：尝试执行，完成所有业务检查（一致性），预留必需业务资源（准隔离性）。

Confirm 阶段：确认真正执行业务，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。要求具备幂等设计，Confirm 失败后需要进行重试。

Cancel 阶段：取消执行，释放 Try 阶段预留的业务资源，Cancel 操作满足幂等性。Cancel 阶段的异常和 Confirm 阶段异常处理方案基本上一致。

举个简单的例子：如果你用 100 元买了一瓶水， Try 阶段：你需要向你的钱包检查是否够 100 元并锁住这 100 元，水也是一样的。

如果有一个失败，则进行 Cancel(释放这 100 元和这一瓶水)，如果 Cancel 失败不论什么失败都进行重试 Cancel，所以需要保持幂等。

如果都成功，则进行 Confirm，确认这 100 元被扣，和这一瓶水被卖，如果 Confirm 失败无论什么失败则重试(会依靠活动日志进行重试)。

对于 TCC 来说适合一些：

强隔离性，严格一致性要求的活动业务。

执行时间较短的业务

10. 本地消息表

对于本地消息队列来说核心是把大事务转变为小事务。还是举上面用 100 元去买一瓶水的例子。

  1. 当你扣钱的时候，你需要在你扣钱的服务器上新增加一个本地消息表，你需要把你扣钱和减去水的库存写入到本地消息表，放入同一个事务(依靠数据库本地事务保证一致性）。

  2. 这个时候有个定时任务去轮询这个本地事务表，把没有发送的消息，扔给商品库存服务器，叫它减去水的库存，到达商品服务器之后，这时得先写入这个服务器的事务表，然后进行扣减，扣减成功后，更新事务表中的状态。

  3. 商品服务器通过定时任务扫描消息表或者直接通知扣钱服务器，扣钱服务器在本地消息表进行状态更新。

  4. 针对一些异常情况，定时扫描未成功处理的消息，进行重新发送，在商品服务器接到消息之后，首先判断是否是重复的。

如果已经接收，再判断是否执行，如果执行在马上又进行通知事务；如果未执行，需要重新执行由业务保证幂等，也就是不会多扣一瓶水。

本地消息队列是 BASE 理论，是最终一致模型，适用于对一致性要求不高的情况。实现这个模型时需要注意重试的幂等。

11. MQ 事务

在 RocketMQ 中实现了分布式事务，实际上是对本地消息表的一个封装，将本地消息表移动到了 MQ 内部。
基本流程如下：

第一阶段 Prepared 消息，会拿到消息的地址。

第二阶段执行本地事务。

第三阶段通过第一阶段拿到的地址去访问消息，并修改状态。消息接受者就能使用这个消息。

如果确认消息失败，在 RocketMQ Broker 中提供了定时扫描没有更新状态的消息。

如果有消息没有得到确认，会向消息发送者发送消息，来判断是否提交，在 RocketMQ 中是以 Listener 的形式给发送者，用来处理。

如果消费超时，则需要一直重试，消息接收端需要保证幂等。如果消息消费失败，这时就需要人工进行处理，因为这个概率较低，如果为了这种小概率时间而设计这个复杂的流程反而得不偿失。

生产者和消费者的理解

在实际的软件开发过程中，经常会碰到如下场景：某个模块负责产生数据，这些数据由另一个模块来负责处理（此处的模块是广义的，可以是类、函数、线程、进程等）。产生数据的模块，就形象地称为生产者；而处理数据的模块，就称为消费者。

单单抽象出生产者和消费者，还够不上是生产者／消费者模式。该模式还需要有一个缓冲区处于生产者和消费者之间，作为一个中介。生产者把数据放入缓冲区，而消费者从缓冲区取出数据
优点

  • 解耦，即降低生产者和消费者之间的依赖关系。

    比如我们在修改消费者功能时，不需要考虑生产者模块的代码，同理对于生产者

  • 支持并发，即生产者和消费者可以是两个独立的并发主体，互不干扰的运行。

    在生产者和消费者之间，因为是通过队列通讯，互不干扰，所以可以起两个线程，各自完成自己的工作

  • 支持忙闲不均，如果制造数据的速度时快时慢，缓冲区可以对其进行适当缓冲。当数据制造快的时候，消费者来不及处理，未处理的数据可以暂时存在缓冲区中。等生产者的制造速度慢下来，消费者再慢慢处理掉。

12. 分布式缓存设计

目前常见的缓存方案都是分层缓存，通常可以分为以下几层：

  • NG 本地缓存，命中的话直接返回。

  • NG 没有命中时则需要查询分布式缓存，如 Redis 。

  • 如果分布式缓存没有命中则需要回源到 Tomcat 在本地堆进行查询，命中之后异步写回 Redis 。

  • 以上都没有命中那就只有从 DB 或者是数据源进行查询，并写回到 Redis 中。

13. 缓存更新的原子性

在写回 Redis 的时候如果是 Tomcat 集群，多个进程同时写那很有可能出现脏数据，这时就会出现更新原子性的问题。

可以有以下解决方案:

  • 可以将多个 Tomcat 中的数据写入到 MQ 队列中，由消费者进行单线程更新缓存。

  • 利用分布式锁，只有获取到锁进程才能写数据。

14. 如何写缓存

写缓存时也要注意，通常来说分为以下几步：

  • 开启事务。

  • 写入 DB 。

  • 提交事务。

  • 写入缓存。

这里可能会存在数据库写入成功但是缓存写入失败的情况，但是也不建议将写入缓存加入到事务中。 因为写缓存的时候可能会因为网络原因耗时较长，这样会阻塞数据库事务。 如果对一致性要求不高并且数据量也不大的情况下，可以单独起一个服务来做 DB 和缓存之间的数据同步操作。

更新缓存时也建议做增量更新。

15. 负载策略

缓存负载策略一般有以下两种：

  • 轮询机制。

  • 一致哈希算法。

轮询的优点是负载到各个服务器的请求是均匀的，但是如果进行扩容则缓存命中率会下降。

一致哈希的优点是相同的请求会负载到同一台服务器上，命中率不会随着扩容而降低，但是当大流量过来时有可能把服务器拖垮。

所以建议两种方案都采用： 首先采用一致哈希算法，当流量达到一定的阈值的时候则切换为轮询，这样既能保证缓存命中率，也能提高系统的可用性。

16. 基于redis的分布式锁

分布式锁在分布式应用中应用广泛，想要搞懂一个新事物首先得了解它的由来，这样才能更加的理解甚至可以举一反三。

首先谈到分布式锁自然也就联想到分布式应用。

在我们将应用拆分为分布式应用之前的单机系统中，对一些并发场景读取公共资源时如扣库存，卖车票之类的需求可以简单的使用同步或者是加锁就可以实现。

但是应用分布式了之后系统由以前的单进程多线程的程序变为了多进程多线程，这时使用以上的解决方案明显就不够了。

因此业界常用的解决方案通常是借助于一个第三方组件并利用它自身的排他性来达到多进程的互斥。如：

  • 基于 DB 的唯一索引。

  • 基于 ZK 的临时有序节点。

  • 基于 Redis 的 NX EX 参数。

这里主要基于 Redis 进行讨论。

17. 实现

既然是选用了 Redis，那么它就得具有排他性才行。同时它最好也有锁的一些基本特性：

  • 高性能(加、解锁时高性能)

  • 可以使用阻塞锁与非阻塞锁。

  • 不能出现死锁。

  • 可用性(不能出现节点 down 掉后加锁失败)。

这里利用 Redis set key 时的一个 NX 参数可以保证在这个 key 不存在的情况下写入成功。并且再加上 EX 参数可以让该 key 在超时之后自动删除。

所以利用以上两个特性可以保证在同一时刻只会有一个进程获得锁，并且不会出现死锁(最坏的情况就是超时自动删除 key)。

18. 加锁

实现代码如下：

private static final String SET_IF_NOT_EXIST = "NX";

private static final String SET_WITH_EXPIRE_TIME = "PX";

public boolean tryLock(String key, String request) {

String result = this.jedis.set(LOCK_PREFIX + key, request, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, 10 * TIME);

if (LOCK_MSG.equals(result)){

return true ;

}else {

return false ;

}

}

注意这里使用的 jedis 的

String set(String key, String value, String nxxx, String expx, long time);

该命令可以保证 NX EX 的原子性。

一定不要把两个命令(NX EX)分开执行，如果在 NX 之后程序出现问题就有可能产生死锁。

19. 阻塞锁

同时也可以实现一个阻塞锁：

//一直阻塞

public void lock(String key, String request) throws InterruptedException {

for (;;){

String result = this.jedis.set(LOCK_PREFIX + key, request, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, 10 * TIME);

if (LOCK_MSG.equals(result)){

break ;

}

//防止一直消耗 CPU

Thread.sleep(DEFAULT_SLEEP_TIME) ;

}

}

//自定义阻塞时间

public boolean lock(String key, String request,int blockTime) throws InterruptedException {

while (blockTime >= 0){

String result = this.jedis.set(LOCK_PREFIX + key, request, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, 10 * TIME);

if (LOCK_MSG.equals(result)){

return true ;

}

blockTime -= DEFAULT_SLEEP_TIME ;

Thread.sleep(DEFAULT_SLEEP_TIME) ;

}

return false ;

}

20. 解锁

解锁也很简单，其实就是把这个 key 删掉就万事大吉了，比如使用 del key 命令。

但现实往往没有那么 easy。

如果进程 A 获取了锁设置了超时时间，但是由于执行周期较长导致到了超时时间之后锁就自动释放了。这时进程 B 获取了该锁执行很快就释放锁。这样就会出现进程 B 将进程 A 的锁释放了。

所以最好的方式是在每次解锁时都需要判断锁是否是自己的。

这时就需要结合加锁机制一起实现了。

加锁时需要传递一个参数，将该参数作为这个 key 的 value，这样每次解锁时判断 value 是否相等即可。

所以解锁代码就不能是简单的 del了。

public boolean unlock(String key,String request){

//lua script

String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";

Object result = null ;

if (jedis instanceof Jedis){

result = ((Jedis)this.jedis).eval(script, Collections.singletonList(LOCK_PREFIX + key), Collections.singletonList(request));

}else if (jedis instanceof JedisCluster){

result = ((JedisCluster)this.jedis).eval(script, Collections.singletonList(LOCK_PREFIX + key), Collections.singletonList(request));

}else {

//throw new RuntimeException("instance is error") ;

return false ;

}

if (UNLOCK_MSG.equals(result)){

return true ;

}else {

return false ;

}

}

这里使用了一个 lua 脚本来判断 value 是否相等，相等才执行 del 命令。

使用 lua 也可以保证这里两个操作的原子性。

因此上文提到的四个基本特性也能满足了：

  • 使用 Redis 可以保证性能。

  • 阻塞锁与非阻塞锁见上文。

  • 利用超时机制解决了死锁。

  • Redis 支持集群部署提高了可用性。

21. 总结

至此一个基于 Redis 的分布式锁完成，但是依然有些问题。

  • 如在 key 超时之后业务并没有执行完毕但却自动释放锁了，这样就会导致并发问题。

  • 就算 Redis 是集群部署的，如果每个节点都只是 master 没有 slave，那么 master 宕机时该节点上的所有 key 在那一时刻都相当于是释放锁了，这样也会出现并发问题。就算是有 slave 节点，但如果在数据同步到 salve 之前 master 宕机也是会出现上面的问题。

posted @ 2019-11-18 14:28  π。  阅读(816)  评论(0)    收藏  举报