前兩天發(fā)了工資，***反應(yīng)是想著要給遠(yuǎn)方的女朋友一點驚喜!于是打開了平安銀行的 App 給女朋友轉(zhuǎn)點錢!填寫上對方招商銀行卡的卡號、開戶名，一鍵轉(zhuǎn)賬!搞定!

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圖片來自包圖網(wǎng)

在我點擊的那瞬間，就收到了 App 的賬戶變動的提醒，并且出現(xiàn)了圖一所示的提示界面：“處理中，正在等待對方銀行返回結(jié)果…”。

嗯!畢竟是跨行轉(zhuǎn)賬嘛，等個幾秒也正常!腦海開始浮現(xiàn)出女朋友收到轉(zhuǎn)賬后驚喜與感動的畫面!

然而，一切并沒有那么順利，剛過一會兒，App 卻如圖二所示的提示我“由于收款人戶名不符”導(dǎo)致轉(zhuǎn)賬失敗!!!

剛剛都已經(jīng)從我卡里扣過錢了，現(xiàn)在卻提示我轉(zhuǎn)賬失敗，銀行會不會把我的錢給吞了?轉(zhuǎn)賬失敗的錢還能退還給我嗎?

正在我緊張、焦慮、坐立不安之時又收到一條 App 沖正的消息，剛剛轉(zhuǎn)賬失敗的錢已經(jīng)退還給我了，看來我多慮了……這也證明咱平安銀行的 App 還是比較安全靠譜的!

為啥從我卡里扣錢那么迅速，而對方卻要幾秒才能到賬?并且轉(zhuǎn)賬失敗后，扣除的錢還能及時的返還到我的卡里?萬一錢返還失敗怎么辦?

又或者我轉(zhuǎn)一次錢，對方卻收到了兩次轉(zhuǎn)賬的申請又該如何?帶著這些問題，我腦海中浮現(xiàn)出“事務(wù)”二字!

在我們還在“牙牙學(xué)語”的時候，老師經(jīng)常會通過轉(zhuǎn)賬的栗子來跟我們講解事務(wù)，但跟這里場景不一樣的是，老師講的是本地事務(wù)，而這里面對的是分布式事務(wù)!我們先來簡單回顧一下本地事務(wù)!

本地事務(wù)

談到本地事務(wù)，大家可能都很熟悉，因為這是數(shù)據(jù)庫引擎層面能支持的!所以也稱數(shù)據(jù)庫事務(wù)，數(shù)據(jù)庫事務(wù)四大特征：

• 原子性(A)
• 一致性(C)
• 隔離性(I)
• 持久性(D)

而在這四大特性中，我認(rèn)為一致性是最基本的特性，其他的三個特性都是為了保證一致性而存在的!

回到學(xué)生時代老師給我們舉的經(jīng)典例子，A 賬戶給 B 賬戶轉(zhuǎn)賬 100 元(A、B 處于同一個庫中)，如果 A 的賬戶發(fā)生扣款，B 的賬戶卻沒有到賬，這就出現(xiàn)了數(shù)據(jù)的不一致!

為了保證數(shù)據(jù)的一致性，數(shù)據(jù)庫的事務(wù)機制會讓 A 賬戶扣款和 B 賬戶到賬的兩個操作要么同時成功，如果有一個操作失敗，則多個操作同時回滾。

這就是事務(wù)的原子性，為了保證事務(wù)操作的原子性，就必須實現(xiàn)基于日志的 REDO/UNDO 機制!

但是，僅有原子性還不夠，因為我們的系統(tǒng)是運行在多線程環(huán)境下，如果多個事務(wù)并行，即使保證了每一個事務(wù)的原子性，仍然會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況。

例如 A 賬戶原來有 200 元的余額， A 賬戶給 B 賬戶轉(zhuǎn)賬 100 元，先讀取 A 賬戶的余額，然后在這個值上減去 100 元，但是在這兩個操作之間，A賬戶又給 C 賬戶轉(zhuǎn)賬 100 元，那么***的結(jié)果應(yīng)該是 A 減去了 200 元。

但事實上，A 賬戶給 B 賬戶最終完成轉(zhuǎn)賬后，A 賬戶只減掉了 100 元，因為 A 賬戶向 C 賬戶轉(zhuǎn)賬減掉的 100 元被覆蓋了!

所以為了保證并發(fā)情況下的一致性，又引入的隔離性，即多個事務(wù)并發(fā)執(zhí)行后的狀態(tài)，和它們串行執(zhí)行后的狀態(tài)是等價的!

隔離性又有多種隔離級別，為了實現(xiàn)隔離性(最終都是為了保證一致性)數(shù)據(jù)庫又引入了悲觀鎖、樂觀鎖等等……

本文的主題是分布式事務(wù)，所以本地事務(wù)就只是簡單回顧一下，需要記住的一點是，事務(wù)是為了保證數(shù)據(jù)的一致性!

分布式理論

還記得剛畢業(yè)那年，帶著滿腔的熱血就去到了一家互聯(lián)網(wǎng)公司，領(lǐng)導(dǎo)給我的***個任務(wù)就是在列表上增加一個修改數(shù)據(jù)的功能。

這能難倒我?我分分鐘給你搞出來!不就是在列表上增加了一個“修改”按鈕，點擊按鈕彈出框修改后保存就好了么。

然而一切不像我想象的那么順利，點擊保存并刷新列表后，頁面上的數(shù)據(jù)還是顯示的修改之前的內(nèi)容，像沒有修改成功一樣!過一會兒再刷新列表，數(shù)據(jù)就能正常顯示了!

測試多次之后都是這樣!沒見過什么大場面的我開始有點慌了，是我哪里寫得不對么?最終，我不得不求助組內(nèi)經(jīng)驗比較豐富的前輩!

他深吸了一口氣告訴我說：“畢竟是剛畢業(yè)的小伙子啊!我來跟你講講原因吧!我們的數(shù)據(jù)庫是做了讀寫分離的，部分讀庫與寫庫在不同的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)。你的數(shù)據(jù)更新到了寫庫，而讀數(shù)據(jù)的時候是從讀庫讀取的。更新到寫庫的數(shù)據(jù)同步到讀庫是有一定的延遲的，也就是說讀庫與寫庫會有短暫的數(shù)據(jù)不一致”!“這樣不會體驗不好么?為什么不能做到寫入的數(shù)據(jù)立馬能讀出來?那我這個功能該怎么實現(xiàn)呢?”

面對我的一堆問題，同事有些不耐煩的說：“聽說過 CAP 理論嗎?你先自己去了解一下吧”!于是我開始查閱各種資料去了解這個陌生的詞背后的秘密!

CAP 理論是由加州大學(xué) Eric Brewer 教授提出來的，這個理論告訴我們，一個分布式系統(tǒng)不可能同時滿足一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分區(qū)容錯性(Partition tolerance)這三個基本需求，最多只能同時滿足其中兩項。

一致性：這里的一致性是指數(shù)據(jù)的強一致，也稱為線性一致性，是指在分布式環(huán)境中，數(shù)據(jù)在多個副本之間是否能夠保持一致的特性。

也就是說對某個數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作后立馬執(zhí)行讀操作，必須能讀取到剛剛寫入的值。(any read operation that begins after a write operation completes must return that value, or the result of a later write operation)

可用性：任意被無故障節(jié)點接收到的請求，必須能夠在有限的時間內(nèi)響應(yīng)結(jié)果。(every request received by a non-failing node in the system must result in a response)

分區(qū)容錯性：如果集群中的機器被分成了兩部分，這兩部分不能互相通信，系統(tǒng)是否能繼續(xù)正常工作。(the network will be allowed to lose arbitrarily many messages sent from one node to another)

在分布式系統(tǒng)中，分區(qū)容錯性是基本要保證的。也就是說只能在一致性和可用性之間進(jìn)行取舍。

一致性和可用性，為什么不可能同時成立?回到之前修改列表的例子，由于數(shù)據(jù)會分布在不同的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，必然會存在數(shù)據(jù)同步的問題，而同步會存在網(wǎng)絡(luò)延遲、異常等問題，所以會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不一致!

如果要保證數(shù)據(jù)的一致性，那么就必須在對寫庫進(jìn)行操作時，鎖定其他讀庫的操作。

只有寫入成功且完成數(shù)據(jù)同步后，才能重新放開讀寫，而這樣在鎖定期間，系統(tǒng)喪失了可用性。更詳細(xì)關(guān)于 CAP 理論可以參考這篇文章，該文章講得比較通俗易懂!

分布式事務(wù)

分布式事務(wù)就是在分布式的場景下，需要滿足事務(wù)的需求!上篇文章我們聊過了消息中間件，那這篇文章我們要聊的是分布式事務(wù)，把兩者一結(jié)合，便有了基于消息中間件的分布式事務(wù)解決方案!

不管是本地事務(wù)，還是分布式事務(wù)，都是為了解決數(shù)據(jù)的一致性問題!一致性這個詞咱們前面多次提及!

與本地事務(wù)不同的是，分布式事務(wù)需要保證的是分布式環(huán)境下，不同數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)的一致性問題。

分布式事務(wù)的解決方案有多種，如 XA 協(xié)議、TCC 三階段提交、基于消息隊列等等，本文只會涉及基于消息隊列的解決方案!

本地事務(wù)講到了一致性，分布式事務(wù)不可避免的面臨著一致性的問題!回到最開始跨行轉(zhuǎn)賬的例子，如果 A 銀行用戶向 B 銀行用戶轉(zhuǎn)賬，正常流程應(yīng)該是：

• A 銀行對轉(zhuǎn)出賬戶執(zhí)行檢查校驗，進(jìn)行金額扣減。
• A 銀行同步調(diào)用 B 銀行轉(zhuǎn)賬接口。
• B 銀行對轉(zhuǎn)入賬戶進(jìn)行檢查校驗，進(jìn)行金額增加。
• B 銀行返回處理結(jié)果給A銀行。

在正常情況對一致性要求不高的場景，這樣的設(shè)計是可以滿足需求的。但是像銀行這樣的系統(tǒng)，如果這樣實現(xiàn)大概早就破產(chǎn)了吧。

我們先看看這樣的設(shè)計存在的主要問題：

• 同步調(diào)用遠(yuǎn)程接口，如果接口比較耗時，會導(dǎo)致主線程阻塞時間較長。
• 流量不能很好控制，A 銀行系統(tǒng)的流量高峰可能壓垮 B 銀行系統(tǒng)(當(dāng)然 B 銀行肯定會有自己的限流機制)。
• 如果“第 1 步”剛執(zhí)行完，系統(tǒng)由于某種原因宕機了，那會導(dǎo)致 A 銀行賬戶扣款了，但是 B 銀行沒有收到接口的調(diào)用，這就出現(xiàn)了兩個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的不一致。
• 如果在執(zhí)行“第 3 步”后，B 銀行由于某種原因宕機了而無法正確回應(yīng)請求(實際上轉(zhuǎn)賬操作在 B 銀行系統(tǒng)已經(jīng)執(zhí)行且入庫)，這時候 A 銀行等待接口響應(yīng)會異常，誤以為轉(zhuǎn)賬失敗而回滾“第 1 步”操作，這也會出現(xiàn)了兩個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的不一致。

對于問題的 1、2 都很好解決，如果對消息隊列熟悉的朋友應(yīng)該很快能想到可以引入消息中間件進(jìn)行異步和削峰處理。

于是又重新設(shè)計了一個方案，流程如下：

• A 銀行對賬戶進(jìn)行檢查校驗，進(jìn)行金額扣減。
• 將對 B 銀行的請求異步寫入隊列，主線程返回。
• 啟動后臺程序從隊列獲取待處理數(shù)據(jù)。
• 后臺程序?qū)?B 銀行接口進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用。
• B 銀行對轉(zhuǎn)入賬戶進(jìn)行檢查校驗，進(jìn)行金額增加。
• B 銀行處理完成回調(diào) A 銀行接口通知處理結(jié)果。

通過上面的圖我們能看到，引入消息隊列后，系統(tǒng)的復(fù)雜性瞬間提升了，雖然彌補了我們***種方案的幾個不足點，但也帶來了更多的問題。

比如消息隊列系統(tǒng)本身的可用性、消息隊列的延遲等等!并且，這樣的設(shè)計依然沒有解決我們面臨的核心問題，數(shù)據(jù)的一致性!

①如果“第 1 步”剛執(zhí)行完，系統(tǒng)由于某種原因宕機了，那會導(dǎo)致 A 銀行賬戶扣款了，但是寫入消息隊列失敗，無法進(jìn)行 B 銀行接口調(diào)用，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。

②如果 B 銀行在執(zhí)行“第 5 步”時由于校驗失敗而未能成功轉(zhuǎn)賬，在回調(diào) A 銀行接口通知回滾時網(wǎng)絡(luò)異常或者宕機，會導(dǎo)致 A 銀行轉(zhuǎn)賬無法完成回滾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。

面對上述問題，我們不得不對系統(tǒng)再次進(jìn)行升級改造。為了解決“A 銀行賬戶扣款了，但是寫入消息隊列失敗”的問題，我們需要借助一個轉(zhuǎn)賬日志表，或者叫轉(zhuǎn)賬流水表，該表簡單的設(shè)計如下：

這個流水表需要怎么用呢?我們在“第 1 步”進(jìn)行扣款時，同時往流水表寫入一條操作流水，狀態(tài)為“待處理”。

并且這兩個操作必須是原子的，也就是說必須通過本地事務(wù)保證這兩個操作要么同時成功，要么同時失敗!

這就保證了只要轉(zhuǎn)賬扣款成功，必定會記錄一條狀態(tài)為“待處理”的轉(zhuǎn)賬流水。

如果在這一步失敗了，那自然就是轉(zhuǎn)賬失敗，沒有后續(xù)操作了。如果這步操作后系統(tǒng)宕機了導(dǎo)致沒有將消息成功寫入消息隊列(也就是“第2步”)也沒關(guān)系，因為我們的流水?dāng)?shù)據(jù)已經(jīng)持久化了!

這時候我們只需要加入一個后臺線程進(jìn)行補償，定期的從轉(zhuǎn)賬流水表中讀取狀態(tài)為“待處理”且***更新的時間距當(dāng)前時間大于某個閾值的數(shù)據(jù)，重新放入消息隊列進(jìn)行補償。

這樣，就保證了消息即使丟失，也會有補償機制!B 銀行在處理完轉(zhuǎn)賬請求后會回調(diào) A 銀行的接口通知轉(zhuǎn)賬的狀態(tài)，從而更新 A 銀行流水表中的狀態(tài)字段!這樣就***解決了上一個方案中的兩個不足點。

系統(tǒng)設(shè)計圖如下：

到目前為止，我們很好的解決了消息丟失的問題，保證了只要 A 銀行轉(zhuǎn)賬操作成功，轉(zhuǎn)賬的請求就一定能發(fā)送到 B 銀行!

但是該方案又引入了一個問題，通過后臺線程輪詢將消息放入消息隊列處理，同一次轉(zhuǎn)賬請求可能會出現(xiàn)多次放入消息隊列而多次消費的情況。

這樣 B 銀行會對同一轉(zhuǎn)賬多次處理導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)不一致!那怎么保證 B 銀行轉(zhuǎn)賬接口的冪等性呢?

同樣的，我們需要在 B 銀行系統(tǒng)中增加一個轉(zhuǎn)賬日志表，或者叫轉(zhuǎn)賬流水表，B 銀行每次接收到轉(zhuǎn)賬請求，在對賬戶進(jìn)行操作的時候同時往轉(zhuǎn)賬日志表中插入一條轉(zhuǎn)賬日志記錄，同樣這兩個操作也必須是原子的!

在接收到轉(zhuǎn)賬請求后，首先根據(jù)唯一轉(zhuǎn)賬流水 ID 在日志表中查找判斷該轉(zhuǎn)賬是否已經(jīng)處理過，如果未處理過則進(jìn)行處理，否則直接回調(diào)返回!

最終的架構(gòu)圖如下：

所以，我們這里最核心的就是 A 銀行通過本地事務(wù)保證日志記錄+后臺線程輪詢保證消息不丟失。

B 銀行通過本地事務(wù)保證日志記錄從而保證消息不重復(fù)消費!B 銀行在回調(diào) A 銀行的接口時會通知處理結(jié)果，如果轉(zhuǎn)賬失敗，A 銀行會根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行回滾。

當(dāng)然，分布式事務(wù)***的解決方案是盡量避免出現(xiàn)分布式事務(wù)!

作者：蘇靜

簡介：有過多年大型互聯(lián)網(wǎng)項目的開發(fā)經(jīng)驗，對高并發(fā)、分布式、以及微服務(wù)技術(shù)有深入的研究及相關(guān)實踐經(jīng)驗。經(jīng)歷過自學(xué)，熱衷于技術(shù)研究與分享!格言：始終保持虛心學(xué)習(xí)的態(tài)度!