Fescar&Seata分布式事务实现原理解析探秘

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Fescar&Seata分布式事务实现原理解析探秘

凯京技术团队 2019-04-19 09:14:42 浏览604
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前言

fescar发布已有时日,分布式事务一直是业界备受关注的领域,fescar发布一个月左右便受到了近5000个star足以说明其热度。当然,在fescar出来之前,已经有比较成熟的分布式事务的解决方案开源了,比较典型的方案如LCN(https://github.com/codingapi/tx-lcn)的2pc型无侵入事务,目前lcn已发展到5.0,已支持和fescar事务模型类似的TCX型事务。还有如TCC型事务实现hmily(https://github.com/yu199195/hmily)、tcc-transaction(https://github.com/changmingxie/tcc-transaction)等。在微服务架构流行的当下、阿里这种开源大户背景下,fescar的发布无疑又掀起了研究分布式事务的热潮。fescar脱胎于阿里云商业分布式事务服务GTS,在线上环境提供这种公共服务其模式肯定经受了非常严苛的考验。其分布式事务模型TXC又仿于传统事务模型XA方案,主要区别在于资源管理器的定位一个在应用层一个在数据库层。博主觉得fescar的txc模型实现非常有研究的价值,所以今天我们来好好翻一翻fescar项目的代码。本文篇幅较长,浏览并理解本文大概耗时30~60分钟左右。

项目地址

fescar:https://github.com/alibaba/fescar

本博文所述代码为fescar的0.1.2-SNAPSHOT版本,根据fescar后期的迭代计划,其项目结构和模块实现都可能有很大的改变,特此说明。

fescar的TXC模型

上图为fescar官方针对TXC模型制作的示意图。不得不说大厂的图制作的真的不错,结合示意图我们可以看到TXC实现的全貌。TXC的实现通过三个组件来完成。也就是上图的三个深黄色部分,其作用如下,:

  1. TM:全局事务管理器,在标注开启fescar分布式事务的服务端开启,并将全局事务发送到TC事务控制端管理
  2. TC:事务控制中心,控制全局事务的提交或者回滚。这个组件需要独立部署维护,目前只支持单机版本,后续迭代计划会有集群版本
  3. RM:资源管理器,主要负责分支事务的上报,本地事务的管理

一段话简述其实现过程:服务起始方发起全局事务并注册到TC。在调用协同服务时,协同服务的事务分支事务会先完成阶段一的事务提交或回滚,并生成事务回滚的undo_log日志,同时注册当前协同服务到TC并上报其事务状态,归并到同一个业务的全局事务中。此时若没有问题继续下一个协同服务的调用,期间任何协同服务的分支事务回滚,都会通知到TC,TC在通知全局事务包含的所有已完成一阶段提交的分支事务回滚。如果所有分支事务都正常,最后回到全局事务发起方时,也会通知到TC,TC在通知全局事务包含的所有分支删除回滚日志。在这个过程中为了解决写隔离和度隔离的问题会涉及到TC管理的全局锁。

本博文的目标是深入代码细节,探究其基本思路是如何实现的。首先会从项目的结构来简述每个模块的作用,继而结合官方自带的examples实例来探究整个分布式事务的实现过程。

项目结构解析

项目拉下来,用IDE打开后的目录结构如下,下面先大致的看下每个模块的实现

  • common :公共组件,提供常用辅助类,静态变量、扩展机制类加载器、以及定义全局的异常等
  • config : 配置加载解析模块,提供了配置的基础接口,目前只有文件配置实现,后续会有nacos等配置中心的实现
  • core : 核心模块主要封装了TM、RM和TC通讯用RPC相关内容
  • dubbo :dubbo模块主要适配dubbo通讯框架,使用dubbo的filter机制来传递全局事务的信息到分支
  • examples :简单的演示实例模块,等下从这个模块入手探索
  • rm-datasource :资源管理模块,比较核心的一个模块,个人认为这个模块命名为core要更合理一点。代理了JDBC的一些类,用来解析sql生成回滚日志、协调管理本地事务
  • server : TC组件所在,主要协调管理全局事务,负责全局事务的提交或者回滚,同时管理维护全局锁。
  • spring :和spring集成的模块,主要是aop逻辑,是整个分布式事务的入口,研究fescar的突破口
  • tm : 全局事务事务管理模块,管理全局事务的边界,全局事务开启回滚点都在这个模块控制

通过【examples】模块的实例看下效果

第一步、先启动TC也就是【Server】模块,main方法直接启动就好,默认服务端口8091

第二步、回到examples模块,将订单,业务,账户、仓库四个服务的配置文件配置好,主要是mysql数据源和zookeeper连接地址,这里要注意下,默认dubbo的zk注册中心依赖没有,启动的时候回抛找不到class的异常,需要添加如下的依赖:

<groupId>com.101tec</groupId>
<artifactId>zkclient</artifactId>
<version>0.10</version>
<exclusions>
    <exclusion>
        <artifactId>slf4j-log4j12</artifactId>
        <groupId>org.slf4j</groupId>
    </exclusion>
</exclusions>

第三步、在BusinessServiceImpl中的模拟抛异常的地方打个断点,依次启动OrderServiceImpl、StorageServiceImpl、AccountServiceImpl、BusinessServiceImpl四个服务、等进断点后,查看数据库account_tbl表,金额已减去400元,变成了599元。然后放开断点、BusinessServiceImpl模块模拟的异常触发,全局事务回滚,account_tbl表的金额就又回滚到999元了

如上,我们已经体验到fescar事务的控制能力了,下面我们具体看下它是怎么控制的。

fescar事务过程分析

首先分析配置文件

这个是一个铁律,任何一个技术或框架要集成,配置文件肯定是一个突破口。从上面的例子我们了解到,实例模块的配置文件中配置了一个全局事务扫描器实例,如:

<constructor-arg value="dubbo-demo-app"/>
<constructor-arg value="my\_test\_tx_group"/>

这个实例在项目启动时会扫描所有实例,具体实现见【spring】模块。并将标注了@GlobalTransactional注解的方法织入GlobalTransactionalInterceptor的invoke方法逻辑。同时应用启动时,会初始化TM(TmRpcClient)和RM(RmRpcClient)的实例,这个时候,服务已经和TC事务控制中心勾搭上了。在往下看就涉及到TM模块的事务模板类TransactionalTemplate。

【TM】模块启动全局事务

全局事务的开启,提交、回滚都被封装在TransactionalTemplate中完成了,代码如:

public Object execute(TransactionalExecutor business) throws TransactionalExecutor.ExecutionException {

// 1\. get or create a transaction
GlobalTransaction tx = GlobalTransactionContext.getCurrentOrCreate();
// 2\. begin transaction
try {
    tx.begin(business.timeout(), business.name());
} catch (TransactionException txe) {
    throw new TransactionalExecutor.ExecutionException(tx, txe,
        TransactionalExecutor.Code.BeginFailure);
}
Object rs = null;
try {
    // Do Your Business
    rs = business.execute();
} catch (Throwable ex) {
    // 3\. any business exception, rollback.
    try {
        tx.rollback();
        // 3.1 Successfully rolled back
        throw new TransactionalExecutor.ExecutionException(tx, TransactionalExecutor.Code.RollbackDone, ex);
    } catch (TransactionException txe) {
        // 3.2 Failed to rollback
        throw new TransactionalExecutor.ExecutionException(tx, txe,
            TransactionalExecutor.Code.RollbackFailure, ex);
    }
}
// 4\. everything is fine, commit.
try {
    tx.commit();
} catch (TransactionException txe) {
    // 4.1 Failed to commit
    throw new TransactionalExecutor.ExecutionException(tx, txe,
        TransactionalExecutor.Code.CommitFailure);
}
return rs;

}

更详细的实现在【TM】模块中被分成了两个Class实现,如下:

DefaultGlobalTransaction :全局事务具体的开启,提交、回滚动作

DefaultTransactionManager :负责使用TmRpcClient向TC控制中心发送指令,如开启全局事务(GlobalBeginRequest)、提交(GlobalCommitRequest)、回滚(GlobalRollbackRequest)、查询状态(GlobalStatusRequest)等。

以上是TM模块核心内容点,TM模块完成全局事务开启后,接下来就开始看看全局事务iD,xid是如何传递、RM组件是如何介入的

【dubbo】全局事务xid的传递

首先是xid的传递,目前已经实现了dubbo框架实现的微服务架构下的传递,其他的像spring cloud和motan等的想要实现也很容易,通过一般RPC通讯框架都有的filter机制,将xid从全局事务的发起节点传递到服务协从节点,从节点接收到后绑定到当前线程上线文环境中,用于在分支事务执行sql时判断是否加入全局事务。fescar的实现见【dubbo】模块如下:

@Activate(group = { Constants.PROVIDER, Constants.CONSUMER }, order = 100)
public class TransactionPropagationFilter implements Filter {

private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(TransactionPropagationFilter.class);

@Override
public Result invoke(Invoker<?> invoker, Invocation invocation) throws RpcException {
    String xid = RootContext.getXID();
    String rpcXid = RpcContext.getContext().getAttachment(RootContext.KEY_XID);
    if (LOGGER.isDebugEnabled()) {
        LOGGER.debug("xid in RootContext\[" + xid + "\] xid in RpcContext\[" + rpcXid + "\]");
    }
    boolean bind = false;
    if (xid != null) {
        RpcContext.getContext().setAttachment(RootContext.KEY_XID, xid);
    } else {
        if (rpcXid != null) {
            RootContext.bind(rpcXid);
            bind = true;
            if (LOGGER.isDebugEnabled()) {
                LOGGER.debug("bind\[" + rpcXid + "\] to RootContext");
            }
        }
    }
    try {
        return invoker.invoke(invocation);

    } finally {
        if (bind) {
            String unbindXid = RootContext.unbind();
            if (LOGGER.isDebugEnabled()) {
                LOGGER.debug("unbind\[" + unbindXid + "\] from RootContext");
            }
            if (!rpcXid.equalsIgnoreCase(unbindXid)) {
                LOGGER.warn("xid in change during RPC from " + rpcXid + " to " + unbindXid);
                if (unbindXid != null) {
                    RootContext.bind(unbindXid);
                    LOGGER.warn("bind \[" + unbindXid + "\] back to RootContext");
                }
            }
        }
    }
}

}

上面代码rpcXid不为空时,就加入到了RootContext的ContextCore中,这里稍微深入讲下。ContextCore是一个可扩展实现的接口,目前默认的实现是ThreadLocalContextCore,基于ThreadLocal来保存维护当前的xid。这里fescar提供了可扩展的机制,实现在【common】模块中,通过一个自定义的类加载器EnhancedServiceLoader加载需要扩展的服务类,这样只需要在扩展类加上@LoadLevel注解。标记order属性声明高优先级别,就可以达到扩展实现的目的。

【RM】模块本地资源管理的介入

fescar针对本地事务相关的接口,通过代理机制都实现了一遍代理类,如数据源(DataSourceProxy)、ConnectionProxy、StatementProxy等。这个在配置文件中也可以看出来,也就是说,我们要使用fescar分布式事务,一定要配置fescar提供的代理数据源。如:

配置好代理数据源后,从DataSourceProxy出发,本地针对数据库的所有操作过程我们就可以随意控制了。从上面xid传递,已经知道了xid被保存在RootContext中了,那么请看下面的代码,就非常清楚了:

首先看StatementProxy的一段代码

在看ExecuteTemplate中的代码

和【TM】模块中的事务管理模板类TransactionlTemplate类似,这里非常关键的逻辑代理也被封装在了ExecuteTemplate模板类中。因重写了Statement有了StatementProxy实现,在执行原JDBC的executeUpdate方法时,会调用到ExecuteTemplate的execute逻辑。在sql真正执行前,会判断RootCOntext当前上下文中是否包含xid,也就是判断当前是否是全局分布式事务。如果不是,就直接使用本地事务,如果是,这里RM就会增加一些分布式事务相关的逻辑了。这里根据sql的不同的类型,fescar封装了五个不同的执行器来处理,分别是UpdateExecutor、DeleteExecutor、InsertExecutor、SelectForUpdateExecutor、PlainExecutor,结构如下图:

PlainExecutor:

原生的JDBC接口实现,未做任何处理,提供给全局事务中的普通的select查询使用

UpdateExecutor、DeleteExecutor、InsertExecutor:

三个DML增删改执行器实现,主要在sql执行的前后对sql语句进行了解析,实现了如下两个抽象接口方法:

protected abstract TableRecords beforeImage() throws SQLException;

protected abstract TableRecords afterImage(TableRecords beforeImage) throws SQLException;

在这个过程中通过解析sql生成了提供回滚操作的undo_log日志,日志目前是保存在msyql中的,和业务sql操作共用同一个事务。表的结构如下:

rollback_info保存的undo_log详细信息,是longblob类型的,结构如下:

{
    "branchId":3958194,
    "sqlUndoLogs":[
        {
            "afterImage":{
                "rows":[
                    {
                        "fields":[
                            {
                                "keyType":"PrimaryKey",
                                "name":"ID",
                                "type":4,
                                "value":10
                            },
                            {
                                "keyType":"NULL",
                                "name":"COUNT",
                                "type":4,
                                "value":98
                            }
                        ]
                    }
                ],
                "tableName":"storage_tbl"
            },
            "beforeImage":{
                "rows":[
                    {
                        "fields":[
                            {
                                "keyType":"PrimaryKey",
                                "name":"ID",
                                "type":4,
                                "value":10
                            },
                            {
                                "keyType":"NULL",
                                "name":"COUNT",
                                "type":4,
                                "value":100
                            }
                        ]
                    }
                ],
                "tableName":"storage_tbl"
            },
            "sqlType":"UPDATE",
            "tableName":"storage_tbl"
        }
    ],
    "xid":"192.168.7.77:8091:3958193"
}

这里贴的是一个update的操作,undo_log记录的非常的详细,通过全局事务xid关联branchid,记录数据操作的表名,操作字段名,以及sql执行前后的记录数,如这个记录,表名=storage_tbl,sql执行前ID=10,count=100,sql执行后id=10,count=98。如果整个全局事务失败,需要回滚的时候就可以生成:

update storage_tbl set count = 100 where id = 10;

这样的回滚sql语句执行了。

SelectForUpdateExecutor:

fescar的AT模式在本地事务之上默认支持读未提交的隔离级别,但是通过SelectForUpdateExecutor执行器,可以支持读已提交的隔离级别。代码如:

@Override
public Object doExecute(Object... args) throws Throwable {

SQLSelectRecognizer recognizer = (SQLSelectRecognizer) sqlRecognizer;

Connection conn = statementProxy.getConnection();
ResultSet rs = null;
Savepoint sp = null;
LockRetryController lockRetryController = new LockRetryController();
boolean originalAutoCommit = conn.getAutoCommit();

StringBuffer selectSQLAppender = new StringBuffer("SELECT ");
selectSQLAppender.append(getTableMeta().getPkName());
selectSQLAppender.append(" FROM " + getTableMeta().getTableName());
String whereCondition = null;
ArrayList<Object> paramAppender = new ArrayList<>();
if (statementProxy instanceof ParametersHolder) {
    whereCondition = recognizer.getWhereCondition((ParametersHolder) statementProxy, paramAppender);
} else {
    whereCondition = recognizer.getWhereCondition();
}
if (!StringUtils.isEmpty(whereCondition)) {
    selectSQLAppender.append(" WHERE " + whereCondition);
}
selectSQLAppender.append(" FOR UPDATE");
String selectPKSQL = selectSQLAppender.toString();

try {
    if (originalAutoCommit) {
        conn.setAutoCommit(false);
    }
    sp = conn.setSavepoint();
    rs = statementCallback.execute(statementProxy.getTargetStatement(), args);

    while (true) {
        // Try to get global lock of those rows selected
        Statement stPK = null;
        PreparedStatement pstPK = null;
        ResultSet rsPK = null;
        try {
            if (paramAppender.isEmpty()) {
                stPK = statementProxy.getConnection().createStatement();
                rsPK = stPK.executeQuery(selectPKSQL);
            } else {
                pstPK = statementProxy.getConnection().prepareStatement(selectPKSQL);
                for (int i = 0; i < paramAppender.size(); i++) {
                    pstPK.setObject(i + 1, paramAppender.get(i));
                }
                rsPK = pstPK.executeQuery();
            }

            TableRecords selectPKRows = TableRecords.buildRecords(getTableMeta(), rsPK);
            statementProxy.getConnectionProxy().checkLock(selectPKRows);
            break;

        } catch (LockConflictException lce) {
            conn.rollback(sp);
            lockRetryController.sleep(lce);

        } finally {
            if (rsPK != null) {
                rsPK.close();
            }
            if (stPK != null) {
                stPK.close();
            }
            if (pstPK != null) {
                pstPK.close();
            }
        }
    }

} finally {
    if (sp != null) {
        conn.releaseSavepoint(sp);
    }
    if (originalAutoCommit) {
        conn.setAutoCommit(true);
    }
}
return rs;

}

关键代码见:

TableRecords selectPKRows = TableRecords.buildRecords(getTableMeta(), rsPK);
statementProxy.getConnectionProxy().checkLock(selectPKRows);

通过selectPKRows表操作记录拿到lockKeys,然后到TC控制器端查询是否被全局锁定了,如果被锁定了,就重新尝试,直到锁释放返回查询结果。

分支事务的注册和上报

在本地事务提交前,fescar会注册和上报分支事务相关的信息,见ConnectionProxy类的commit部分代码:

@Override
public void commit() throws SQLException {

if (context.inGlobalTransaction()) {
    try {
        register();
    } catch (TransactionException e) {
        recognizeLockKeyConflictException(e);
    }

    try {
        if (context.hasUndoLog()) { 
            UndoLogManager.flushUndoLogs(this);
        }
        targetConnection.commit();
    } catch (Throwable ex) {
        report(false);
        if (ex instanceof SQLException) {
            throw (SQLException) ex;
        } else {
            throw new SQLException(ex);
        }
    }
    report(true);
    context.reset();
   
} else {
    targetConnection.commit();
}

}

从这段代码我们可以看到,首先是判断是了是否是全局事务,如果不是,就直接提交了,如果是,就先向TC控制器注册分支事务,为了写隔离,在TC端会涉及到全局锁的获取。然后保存了用于回滚操作的undo_log日志,继而真正提交本地事务,最后向TC控制器上报事务状态。此时,阶段一的本地事务已完成了。

【server】模块协调全局

关于server模块,我们可以聚焦在DefaultCoordinator这个类,这个是AbstractTCInboundHandler控制处理器默认实现。主要实现了全局事务开启,提交,回滚,状态查询,分支事务注册,上报,锁检查等接口,如:

回到一开始的TransactionlTemplate,如果整个分布式事务失败需要回滚了,首先是TM向TC发起回滚的指令,然后TC接收到后,解析请求后会被路由到默认控制器类的doGlobalRollback方法内,最终在TC控制器端执行的代码如下:

@Override
public void doGlobalRollback(GlobalSession globalSession, boolean retrying) throws TransactionException {

for (BranchSession branchSession : globalSession.getReverseSortedBranches()) {
    BranchStatus currentBranchStatus = branchSession.getStatus();
    if (currentBranchStatus == BranchStatus.PhaseOne_Failed) {
        continue;
    }
    try {
        BranchStatus branchStatus = resourceManagerInbound.branchRollback(XID.generateXID(branchSession.getTransactionId()), branchSession.getBranchId(),
                branchSession.getResourceId(), branchSession.getApplicationData());

        switch (branchStatus) {
            case PhaseTwo_Rollbacked:
                globalSession.removeBranch(branchSession);
                LOGGER.error("Successfully rolled back branch " + branchSession);
                continue;
            case PhaseTwo\_RollbackFailed\_Unretryable:
                GlobalStatus currentStatus = globalSession.getStatus();
                if (currentStatus.name().startsWith("Timeout")) {
                    globalSession.changeStatus(GlobalStatus.TimeoutRollbackFailed);
                } else {
                    globalSession.changeStatus(GlobalStatus.RollbackFailed);
                }
                globalSession.end();
                LOGGER.error("Failed to rollback global\[" + globalSession.getTransactionId() + "\] since branch\[" + branchSession.getBranchId() + "\] rollback failed");
                return;
            default:
                LOGGER.info("Failed to rollback branch " + branchSession);
                if (!retrying) {
                    queueToRetryRollback(globalSession);
                }
                return;

        }
    } catch (Exception ex) {
        LOGGER.info("Exception rollbacking branch " + branchSession, ex);
        if (!retrying) {
            queueToRetryRollback(globalSession);
            if (ex instanceof TransactionException) {
                throw (TransactionException) ex;
            } else {
                throw new TransactionException(ex);
            }
        }

    }

}
GlobalStatus currentStatus = globalSession.getStatus();
if (currentStatus.name().startsWith("Timeout")) {
    globalSession.changeStatus(GlobalStatus.TimeoutRollbacked);
} else {
    globalSession.changeStatus(GlobalStatus.Rollbacked);
}
globalSession.end();

}

如上代码可以看到,回滚时从全局事务会话中迭代每个分支事务,然后通知每个分支事务回滚。分支服务接收到请求后,首先会被路由到RMHandlerAT中的doBranchRollback方法,继而调用了RM中的branchRollback方法,代码如下:

@Override
public BranchStatus branchRollback(String xid, long branchId, String resourceId, String applicationData) throws TransactionException {

DataSourceProxy dataSourceProxy = get(resourceId);
if (dataSourceProxy == null) {
    throw new ShouldNeverHappenException();
}
try {
    UndoLogManager.undo(dataSourceProxy, xid, branchId);
} catch (TransactionException te) {
    if (te.getCode() == TransactionExceptionCode.BranchRollbackFailed_Unretriable) {
        return BranchStatus.PhaseTwo\_RollbackFailed\_Unretryable;
    } else {
        return BranchStatus.PhaseTwo\_RollbackFailed\_Retryable;
    }
}
return BranchStatus.PhaseTwo_Rollbacked;

}

RM分支事务端最后执行的是UndoLogManager的undo方法,通过xid和branchid从数据库查询出回滚日志,完成数据回滚操作,整个过程都是同步完成的。如果全局事务是成功的,TC也会有类似的上述协调过程,只不过是异步的将本次全局事务相关的undo_log清除了而已。至此,就完成了2阶段的提交或回滚,也就完成了完整的全局事务事务的控制。

结语

如果你看到这里,那么非常感谢你,在繁忙工作之余耐心的花时间来学习。同时,我相信花的时间没白费,完整的浏览理解估计对fescar实现的大致流程了解的十之八九了。本文从构思立题到完成大概耗时1人天左右,博主在这个过程中,对fescar的实现也有了更加深入的了解。由于篇幅原因,并没有面面俱到的对每个实现的细节去深究,如sql是如何解析的等,更多的是在fescar的TXC模型的实现过程的关键点做了详细阐述。本文已校对,但由于个人知识水平及精力有限,文中不免出现错误或理解不当的地方,欢迎指正。

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