1 基礎(chǔ)概念

1.1. 什么是事務(wù)

什么是事務(wù)？舉個生活的例子 ：你去小賣部買東西，“一手交錢，一手交貨“就是一個事務(wù)的例子，交錢和交貨必須全部成功，事務(wù)才算成功，任一個活動失敗，事務(wù)將撤銷所有已成功的活動。
明白上述例子，再來看事務(wù)的定義 ：
事務(wù)可以看做是一次大的活動，它由不同的小活動組成，這些活動要么全部成功，要么全部失敗。

1.2. 本地事務(wù)

在計算機(jī)系統(tǒng)中，更多的是通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來控制事務(wù)，這里利用數(shù)據(jù)庫本身的事務(wù)特性來實現(xiàn)的，因此叫數(shù)據(jù)庫事務(wù)，由于應(yīng)用主要靠關(guān)系數(shù)據(jù)庫來控制事務(wù)，而數(shù)據(jù)庫通常和應(yīng)用在同一個服務(wù)器，所以基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的事務(wù)又被稱為本地事務(wù)。
回顧一下數(shù)據(jù)庫事務(wù)的四大特性ACID：
A（Atomic）：原子性，構(gòu)成事務(wù)的所有操作，要么都執(zhí)行完成，要么全部不執(zhí)行，不可能出現(xiàn)部分成功部分失敗的情況。
C（Consistency）：一致性，在事務(wù)執(zhí)行前后，數(shù)據(jù)庫的一致性約束沒有被破壞。比如 ：張三向李四轉(zhuǎn)100元，轉(zhuǎn)賬前和轉(zhuǎn)賬后的數(shù)據(jù)是正確狀態(tài)這叫一致性，如果出現(xiàn)張三轉(zhuǎn)出100元，李四賬戶沒有增加100元這就出現(xiàn)來數(shù)據(jù)錯誤，就沒有達(dá)到一致性。
I（Isolation）：隔離性，數(shù)據(jù)庫中的事務(wù)一般都是并發(fā)的，隔離性是指并發(fā)的兩個事務(wù)的執(zhí)行互不干擾，一個事務(wù)不能看到其他事務(wù)運(yùn)行過程的中間狀態(tài)。通過配置事務(wù)隔離級別可以避免贓讀、重復(fù)讀等問題。
D（Durability）：持久性，事務(wù)完成之后，該事務(wù)對數(shù)據(jù)的更改會被持久化到數(shù)據(jù)庫，且不會被回滾。
數(shù)據(jù)庫事務(wù)在實現(xiàn)時會將一次事務(wù)涉及的操作全部納入到一個不可分割的執(zhí)行單元，該執(zhí)行單元中的所有操作要么都成功，要么都失敗，只要其中任一操作執(zhí)行失敗，都將導(dǎo)致整個事務(wù)的回滾。

1.3. 分布式事務(wù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，軟件系統(tǒng)由原來的單體應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际綉?yīng)用，下圖描述來單體應(yīng)用向微服務(wù)的演變：

分布式系統(tǒng)會把一個應(yīng)用系統(tǒng)拆分為可獨(dú)立部署的多個服務(wù)，因此需要服務(wù)與服務(wù)之間遠(yuǎn)程協(xié)作才能完成事務(wù)操作，這種分布式系統(tǒng)環(huán)境下由不同的服務(wù)之間通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)作完成事務(wù)稱之為分布式事務(wù)，例如用戶注冊送積分事務(wù)、創(chuàng)建訂單減庫存事務(wù)，銀行轉(zhuǎn)賬事務(wù)等都是分布式事務(wù)。
我們知道本地事務(wù)依賴數(shù)據(jù)庫本身提供的事務(wù)特性來實現(xiàn)，因此以下邏輯可以控制本地事務(wù) ：

begin transaction;
	// 1. 本地數(shù)據(jù)庫操作 ：張三減少金額
	// 2. 本地數(shù)據(jù)庫操作 ：李四增加金額
commit transation;

但是在分布式環(huán)境下，會變成下邊這樣：

begin transaction；
	// 1. 本地數(shù)據(jù)庫操作 ：張三減少金額
	// 2. 遠(yuǎn)程調(diào)用 ：讓李四增加金額
commit transation;	

可以設(shè)想，當(dāng)遠(yuǎn)程調(diào)用讓李四增加金額成功來，由于網(wǎng)絡(luò)問題遠(yuǎn)程調(diào)用并沒有返回，此時本地事務(wù)提交失敗的回滾來張三減少金額的操作，此時張三和李四的數(shù)據(jù)就不一致了。
因此在分布式架構(gòu)的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫事務(wù)就無法使用了，張三和李四的賬戶不在一個數(shù)據(jù)庫中甚至不在一個應(yīng)用系統(tǒng)里，實現(xiàn)轉(zhuǎn)賬事務(wù)需要通過遠(yuǎn)程調(diào)用，由于網(wǎng)絡(luò)問題就會導(dǎo)致分布式事務(wù)問題。

1.4. 分布式事務(wù)產(chǎn)生的場景

1、典型的場景就是微服務(wù)架構(gòu)，微服務(wù)之間通過遠(yuǎn)程調(diào)用完成事務(wù)操作。比如 ：訂單微服務(wù)和庫存微服務(wù)，下單的同時訂單微服務(wù)請求庫存微服務(wù)減庫存。簡言之 ：跨JVM進(jìn)程產(chǎn)生分布式事務(wù)。

2、單體系統(tǒng)訪問多個數(shù)據(jù)庫實例，當(dāng)單體系統(tǒng)需要訪問多個數(shù)據(jù)庫（實例）時就會產(chǎn)生分布式事務(wù)。比如：用戶信息和訂單信息分別在兩個MySQL實例存儲，用戶管理系統(tǒng)刪除用戶信息，需要分別刪除用戶信息及用戶的訂單信息，由于數(shù)據(jù)分布在不同的數(shù)據(jù)實例，需要通過不同的數(shù)據(jù)庫鏈接去操作數(shù)據(jù)，此時產(chǎn)生分布式事務(wù)。簡言之 ：跨數(shù)據(jù)庫實例產(chǎn)生分布式事務(wù)。

3、多服務(wù)訪問同一個數(shù)據(jù)庫實例，比如 ：訂單微服務(wù)和庫存微服務(wù)即使訪問同一個數(shù)據(jù)庫也會產(chǎn)生分布式事務(wù)，原因就是跨JVM進(jìn)程，兩個微服務(wù)持有了不同的數(shù)據(jù)庫鏈接進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作，此時產(chǎn)生分布式事務(wù)。

2. 分布式事務(wù)基礎(chǔ)理論

我們了解到分布式事務(wù)的基礎(chǔ)概念。與本地事務(wù)不同的是，分布式系統(tǒng)之所以叫分布式，是因為提供服務(wù)的各個節(jié)點(diǎn)分布在不同的機(jī)器上，相互之間通過網(wǎng)絡(luò)交互。不能因為有一點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)問題就導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)因素成為了分布式事務(wù)的考量標(biāo)準(zhǔn)之一。因此分布式事務(wù)需要更進(jìn)一步的理論支持。
在了解分布式事務(wù)控制解決方案之前先了解一些基礎(chǔ)理論，通過理論知識指導(dǎo)我們確定分布式事務(wù)控制的目標(biāo)，從而幫助我們理解解決方案。

2.1. CAP理論

2.1.1. 理解CAP

CAP是Consistency、Availability、Parition tolerance三個詞語的縮寫，分別表示一致性、可用性、分區(qū)容忍性。
下邊我們分別來解釋 ：
為了方便對CAP理論的理解，我們結(jié)合電商系統(tǒng)中的一些業(yè)務(wù)場景來理解CAP。
如下圖，是商品信息管理的執(zhí)行流程 ：

整體執(zhí)行流程如下 ：
1、商品服務(wù)請求主數(shù)據(jù)庫寫入商品信息（添加商品、修改商品、刪除商品）。
2、主數(shù)據(jù)庫向商品服務(wù)響應(yīng)寫入成功。
3、商品服務(wù)請求從數(shù)據(jù)庫讀取商品信息。

C-Consistency ：
一致性是指寫操作后的讀操作可以讀取到最新的數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)分布在多個節(jié)點(diǎn)上，從任意節(jié)點(diǎn)讀取到的數(shù)據(jù)都是最新的狀態(tài)。
上圖中，商品信息的讀寫要滿足一致性就是要實現(xiàn)如下目標(biāo) ：
1、商品服務(wù)寫入主數(shù)據(jù)庫成功，則向從數(shù)據(jù)庫查詢新數(shù)據(jù)也成功。
2、商品服務(wù)寫入主數(shù)據(jù)庫失敗，則向從數(shù)據(jù)庫查詢新數(shù)據(jù)也失敗。
如何實現(xiàn)一致性？
1、寫入主數(shù)據(jù)庫后要將數(shù)據(jù)同步到從數(shù)據(jù)庫。
2、寫入主數(shù)據(jù)庫后，在向從數(shù)據(jù)庫同步期間要將從數(shù)據(jù)庫鎖定，待同步完成后再釋放鎖，以免在新數(shù)據(jù)寫入成功后，向從數(shù)據(jù)庫查詢到舊的數(shù)據(jù)。

分布式系統(tǒng)一致性的特點(diǎn) ：
1、由于存在數(shù)據(jù)同步的過程，寫操作的響應(yīng)會有一定的延遲。
2、為了保證數(shù)據(jù)一致性會對資源暫時鎖定，待數(shù)據(jù)同步完成釋放鎖定資源。
3、如果請求數(shù)據(jù)同步失敗的節(jié)點(diǎn)則會返回錯誤信息，一定不會返回舊數(shù)據(jù)。

A-Availability：
可用性是指任何事務(wù)操作都可以得到響應(yīng)結(jié)果，且不會出現(xiàn)響應(yīng)超時或響應(yīng)錯誤。
上圖中，商品信息讀取滿足可用性就是要實現(xiàn)如下目標(biāo) ：
1、從數(shù)據(jù)庫接收到數(shù)據(jù)查詢的請求則立即能夠響應(yīng)數(shù)據(jù)查詢結(jié)果。
2、從數(shù)據(jù)庫不允許出現(xiàn)響應(yīng)超時或響應(yīng)錯誤。
如何實現(xiàn)可用性？
1、寫入主數(shù)據(jù)庫后要將數(shù)據(jù)同步到從數(shù)據(jù)庫。
2、由于要保證從數(shù)據(jù)庫的可用性，不可將從數(shù)據(jù)庫中的資源進(jìn)行鎖定。
3、即使數(shù)據(jù)還沒有同步過來，從數(shù)據(jù)庫也要返回要查詢的數(shù)據(jù)，哪怕是舊數(shù)據(jù)，如果連舊數(shù)據(jù)也沒有則可以按照約定返回一個默認(rèn)信息，但不能返回錯誤或者響應(yīng)超時。

分布式系統(tǒng)可用性的特點(diǎn) ：
1、所有請求都有響應(yīng)，且不會出現(xiàn)響應(yīng)超時或響應(yīng)錯誤。

P-Partition tolerance ：
通常分布式系統(tǒng)的各個節(jié)點(diǎn)部署在不同的子網(wǎng)，這就是網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，不可避免的會出現(xiàn)由于網(wǎng)絡(luò)問題而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間通訊失敗，此時仍可對外提供服務(wù)，這叫分區(qū)容忍性。
上圖中，商品信息讀寫滿足分區(qū)容忍性就是要實現(xiàn)如下目標(biāo) ：
1、主數(shù)據(jù)庫向從數(shù)據(jù)庫同步數(shù)據(jù)失敗不影響讀寫操作。
2、其一個節(jié)點(diǎn)掛掉不影響另一個節(jié)點(diǎn)對外提供服務(wù)。

如何實現(xiàn)分區(qū)容忍性？
1、盡量使用異步取代同步操作，例如使用異步方式將數(shù)據(jù)從主數(shù)據(jù)庫同步到從數(shù)據(jù)，這樣節(jié)點(diǎn)之間能有效的實現(xiàn)松耦合。
2、添加從數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)，其中一個從節(jié)點(diǎn)掛掉其它從節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。

分布式分區(qū)容忍性的特點(diǎn) ：
1、分區(qū)容忍性是分布式系統(tǒng)具備的基本能力。

2.1.2. CAP組合方式

1、上邊商品管理的例子是否同時具備CAP呢？
在所有分布式事務(wù)場景中不會同時具備CAP三特性，因為在具備了P的前提下C和A是不能共存的。
比如 ：
下圖滿足了P即表示實現(xiàn)分區(qū)容忍 ：

本圖分區(qū)容忍的含義是 ：
1）主數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)向從數(shù)據(jù)同步數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為主從數(shù)據(jù)庫部署在不同的分區(qū)，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。
2）當(dāng)主數(shù)據(jù)庫和從數(shù)據(jù)庫之間的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題不影響主數(shù)據(jù)庫和從數(shù)據(jù)庫對外提供服務(wù)。
3）其一個節(jié)點(diǎn)掛掉不影響另一個節(jié)點(diǎn)對外提供服務(wù)。
如果要實現(xiàn)C則必須保證數(shù)據(jù)一致性，在數(shù)據(jù)同步的時候為防止向從數(shù)據(jù)庫查詢不一致的數(shù)據(jù)則需要將從數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)鎖定，待同步完成后解鎖，如果同步失敗從數(shù)據(jù)庫要返回錯誤信息或超時信息。
如果要實現(xiàn)A則必須保證數(shù)據(jù)可用性，不管任何時候都可以向從數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)，則不會響應(yīng)超時或返回錯誤信息。
通過分析發(fā)現(xiàn)在滿足P的前提下C和A存在矛盾性。

2、CAP有那些組合方式呢？
在生產(chǎn)中對分布式事務(wù)處理時要根據(jù)需求來確定滿足CAP的那兩個方面。
1）AP：
放棄一致性，追求分區(qū)容忍性和可用性。這是很多分布式系統(tǒng)設(shè)計時的選擇。
例如 ：
上邊的商品管理，完全可以實現(xiàn)AP，前提是只要用戶可以接收所查詢的到數(shù)據(jù)在一定時間內(nèi)不是最新的即可。
通常實現(xiàn)AP都會保證最終一致性，后面講的BASE理論就是根據(jù)AP來擴(kuò)展的，一些業(yè)務(wù)場景 比如 ：訂單退款，今日退款成功，明日賬戶到賬，只要用戶可以接受在一定時間內(nèi)到賬即可。
2）CP：
放棄可用性，追求一致性和分區(qū)容錯性，我們的zookeeper其實就是追求的強(qiáng)一致性，又比如跨行轉(zhuǎn)賬，一次轉(zhuǎn)賬請求要等待雙方銀行系統(tǒng)都完成整個事務(wù)才算完成。
3）CA：
放棄分區(qū)容忍性，既不進(jìn)行分區(qū)，不考慮由于網(wǎng)絡(luò)不通或節(jié)點(diǎn)掛掉的問題，則可以實現(xiàn)一致性和可用性。那么系統(tǒng)將不是一個標(biāo)準(zhǔn)的分布式系統(tǒng)，我們最常用的關(guān)系型數(shù)據(jù)就滿足了CA。
上邊的商品管理，如果要實現(xiàn)CA則架構(gòu)如下 ：

主數(shù)據(jù)庫和從數(shù)據(jù)庫中間不再進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，數(shù)據(jù)庫可以響應(yīng)每次的查詢請求，通過事務(wù)隔離級別實現(xiàn)每個查詢請求都可以返回最新的數(shù)據(jù)。

2.1.3 總結(jié)

通過上面的學(xué)習(xí)，CAP是一個已經(jīng)被證實的理論 ：一個分布式系統(tǒng)最多只能同時滿足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區(qū)容忍性（Partition tolerance）這三項中的兩項。它可以作為我們架構(gòu)設(shè)計、技術(shù)選型的考量標(biāo)準(zhǔn)。對于多數(shù)大型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的場景，節(jié)點(diǎn)眾多、部署分散，而且現(xiàn)在的集群規(guī)模越來越大，所以節(jié)點(diǎn)故障、網(wǎng)絡(luò)故障是常態(tài)，而且要保證服務(wù)可用性達(dá)到N個9（99.99.%），并要達(dá)到良好的響應(yīng)性能來提高用戶體驗，因此一般都會做出如下選擇 ：保證P和A，舍棄C強(qiáng)一致性，保證最終一致性。

2.2. BASE理論

1、理解強(qiáng)一致性和最終一致性
CAP理論告訴我們一個分布式系統(tǒng)最多只能同時滿足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區(qū)容忍性（Partition tolerance）這三項中的兩項，其中AP在實際應(yīng)用中較多，AP既舍棄一致性，保證可用性和分區(qū)容忍性，但是在實際生產(chǎn)中很多場景都要實現(xiàn)一致性，比如前邊我們舉的例子，AP即舍棄一致性，保證可用性和分區(qū)容忍性，但是在實際產(chǎn)生中很多場景都要實現(xiàn)一致性，比如前邊我們覺得例子主數(shù)據(jù)庫向從數(shù)據(jù)庫同步數(shù)據(jù)，即使不要一致性，但是最終也要將數(shù)據(jù)同步成功來保證數(shù)據(jù)一致，這種一致性和CAP中的一致性不同，CAP中的一致性要求在任何時間查詢每個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都必須一致，它強(qiáng)調(diào)的是強(qiáng)一致性，但是最終一致性是允許可以在一段時間內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)不一致，但是經(jīng)過一段時間每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)必須一致，它強(qiáng)調(diào)的是最終數(shù)據(jù)的一致性。
2、Base理論介紹
BASE是Basically Availbale（基本可用）、Soft state（軟狀態(tài)）和Eventually consistent（最終一致性）三個短語的縮寫。BASE理論是對CAP中AP的一個擴(kuò)展，通過犧牲強(qiáng)一致性來獲得可用性，當(dāng)出現(xiàn)故障允許部分不可用但要保證核心功能可用，允許數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)是不一致的，但最終達(dá)到一致狀態(tài)。滿足BASE理論的事務(wù)，我們稱之為“柔性事務(wù)”。

• 基本可用 ：分布式系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時，允許損失部分可用功能，保證核心功能可用。如電商網(wǎng)址交易付款出現(xiàn)問題來，商品依然可以正常瀏覽。
• 軟狀態(tài)：由于不要求強(qiáng)一致性，所以BASE允許系統(tǒng)中存在中間狀態(tài)（也叫軟狀態(tài)），這個狀態(tài)不影響系統(tǒng)可用性，如訂單中的“支付中”、“數(shù)據(jù)同步中”等狀態(tài)，待數(shù)據(jù)最終一致后狀態(tài)改為“成功”狀態(tài)。
• 最終一致性：最終一致是指的經(jīng)過一段時間后，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都將會達(dá)到一致。如訂單的“支付中”狀態(tài)，最終會變?yōu)?ldquo;支付成功”或者“支付失敗”，使訂單狀態(tài)與實際交易結(jié)果達(dá)成一致，但需要一定時間的延遲、等待。