2024-09-28 数据库原理- 分布式事务

分布式事务的主要目的是确保在分布式系统中，多个数据库或服务上的操作要么全部成功，要么全部失败，从而保持数据的一致性。分布式事务的实现比单一数据库中的事务更复杂，因为它涉及到多个节点、多个数据库、网络通信等问题。

分布式事务的核心是要解决分布式系统中的一致性问题，通常使用ACID属性（原子性、一致性、隔离性、持久性）来确保分布式事务的正确性。

1. 分布式事务的基本概念

在分布式事务中，多个参与者（如多个数据库或服务）共同执行一个事务。这些参与者可以在不同的地理位置或系统上，必须通过网络进行通信。

分布式事务的挑战主要在于：

网络不可靠：在分布式系统中，网络可能会延迟、丢失消息或中断。
节点失效：某些参与事务的节点可能会发生故障，导致事务无法顺利完成。
数据一致性：在分布式环境中，需要确保多个系统中的数据保持一致，尽管它们之间可能存在时延。

2. 分布式事务的原理

分布式事务的核心思想是通过协调多个参与者，以确保所有参与者要么同时提交，要么同时回滚操作。其核心原理可以通过以下方法来实现。

1. 两阶段提交协议（2PC，Two-Phase Commit）

两阶段提交是分布式事务中最常用的协议。它的基本思想是使用一个协调者（也称为事务管理器）来协调各个参与节点（也称为资源管理器），确保所有节点要么一起提交，要么一起回滚。两阶段提交的过程包括两个阶段：

阶段 1：准备阶段（Prepare Phase）

事务协调者向所有参与者发送"准备提交"的请求（Prepare Request），询问它们是否可以提交事务。
每个参与者执行事务的本地操作，但不提交，将这些操作的结果写入日志，并返回给协调者表示“准备好提交”（可以提交），或者“无法提交”（回滚）。

阶段 2：提交阶段（Commit Phase）

如果所有参与者都返回“准备好提交”，则事务协调者向所有参与者发送“提交”指令，参与者正式提交操作。
如果有任何一个参与者返回“无法提交”，则事务协调者向所有参与者发送“回滚”指令，所有参与者都回滚事务。

优点：

简单且直观。

缺点：

同步阻塞问题：在等待协调者的指令时，参与者会一直锁定资源，可能导致性能问题。
单点故障问题：如果协调者在提交过程中失败，可能导致事务卡在未决状态，无法继续提交或回滚。
脑裂问题：网络分区或协调者的崩溃可能导致数据的不一致。

2. 三阶段提交协议（3PC，Three-Phase Commit）

三阶段提交协议是两阶段提交的改进版，旨在减少两阶段提交中的同步阻塞问题。它引入了一个额外的阶段，并进一步细化了事务状态。

三阶段提交的三个步骤：

阶段 1：询问阶段（Can Commit Phase）

事务协调者向参与者询问是否能够执行提交，类似于2PC的准备阶段。
参与者返回给协调者能否执行（可以或不可以）。

阶段 2：预提交阶段（Pre-Commit Phase）

如果所有参与者都返回“可以提交”，协调者向所有参与者发送“预提交”命令。
参与者预提交操作，执行事务但不真正提交，同时确保系统处于一种可以恢复的状态（如通过日志记录当前状态）。

阶段 3：提交阶段（Commit Phase）

如果所有参与者在预提交阶段都成功执行，则协调者发送“提交”指令，参与者完成正式的提交操作。
如果有任何问题，协调者可以回滚整个事务。

优点：

在网络分区或协调者崩溃的情况下，参与者可以根据超时机制判断如何处理事务，减少了卡住的可能性。

缺点：

三阶段提交协议的开销比两阶段提交更大，增加了事务的处理时间。
同样可能面临网络延迟或协调者失败等问题。

3. 基于补偿事务的模型（Sagas）

Sagas是一种长事务（long-running transactions）管理模式，适合那些不需要严格ACID一致性的应用场景。它将一个大的事务拆分成多个小的、可以独立提交的步骤，每个步骤有对应的补偿操作（Compensation Action），用于在失败时回滚之前的操作。

Saga模型的执行方式：

将一个事务分解成一系列的子事务（T1, T2, T3...），每个子事务可以独立提交。
如果所有子事务都成功，整个事务成功。
如果某个子事务失败，之前已经提交的子事务将通过补偿事务来回滚。

优点：

异步执行，适合需要高并发和长时间运行的事务。
在部分失败时，可以通过补偿逻辑来实现回滚，减少资源占用。

缺点：

需要设计补偿逻辑，不能保证强一致性，只能保证最终一致性。
复杂性增加，因为每个事务步骤都需要有对应的回滚逻辑。

4. TCC（Try-Confirm/Cancel）模式

TCC 模式是另一种分布式事务模型，分为三个步骤：

Try：尝试预留资源（但不真正提交）。
Confirm：确认事务并正式提交。
Cancel：取消操作并释放资源。

TCC 模式适合那些资源可以提前预留或锁定的场景，通过在事务的早期阶段对资源进行预锁定，确保后续的提交操作能够顺利执行。

优点：

高性能，操作步骤较少。
控制更精细，允许应用决定具体的资源预留和释放逻辑。

缺点：

复杂性较高，要求对每个事务都有清晰的Try/Confirm/Cancel三种操作定义。

3. 分布式事务的挑战

网络不可靠性：分布式系统中，网络的延迟、丢包、断连等情况非常常见，导致事务无法顺利进行。
协调者单点故障：协调者在某些分布式事务协议中至关重要，若其失败，整个系统可能进入不确定状态。
性能瓶颈：分布式事务涉及多个系统之间的协调和通信，处理时间和资源消耗都较大。
数据一致性：如何在不同节点之间保持数据的一致性是分布式系统中的核心挑战，尤其是在高并发场景下。

4. 总结

两阶段提交协议（2PC）是最基础的分布式事务实现方式，适用于需要严格一致性的场景，但存在性能和可靠性问题。
三阶段提交协议（3PC）是对2PC的改进，增加了额外的安全机制，减少系统卡住的可能性，但也带来了更高的复杂性和开销。
Sagas和TCC则适用于那些不需要严格ACID保证、能够容忍最终一致性的应用场景，通过补偿机制实现灵活的事务控制。