浅析分布式事务中的2PC和3PC

分布式事务

大型的分布式系统架构都会涉及到事务的分布式处理的问题，基本来说，分布式事务和普通事务都有一个共同原则：

• A（Atomic）原子性，事务要么一起完成，要么一起回滚
• C（Consistent）一致性，提交数据前后数据库的完整性不变
• I（Isolation）隔离性，不同的事务相互独立，不互相影响
• D（Duration）持久性，数据状态是永久的

另外一个设计原则，分布式系统要符合以下原则：

• C（Consistent）一致性，分布式系统中存在的多个副本，在数据和内容上要一模一样
• A（Availability）高可用性，在有限时间内保证系统响应
• P（Partition tolerance）分区容错性，一个副本或一个分区出现宕机或其他错误时，不影响系统整体运行

由于在设计分布式系统时，难以保证 CAP 全部符合，最多保证其中两个，例如在一个分布式系统中：
要保证系统数据库的强一致性，需要跨表跨库占用数据库资源，在复杂度比较高的情况下，耗时难以保证，就会出现可用性无法保证的情况。

故而又出现了 BASE 理论

• Basic Available 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
• Soft state 柔性状态，允许系统存在中间状态，这个状态不影响系统可用性
• Eventually Consistent 最终一致性 指经过一段时间之后，所有数据状态保持一致的结果

实际上 BASE 理论是基于 AP 的一个扩展，一个分布式事务不需要强一致性，只需要达到一个最终一致性就可以了。

分布式事务就是处理分布式中各个节点的数据操作，使之能够在节点相互隔离的情况下完成多个节点数据的一致性操作。

分步式事务 – 2PC

2PC 即二阶段提交，在这里需要了解两个概念

• 参与者：参与者即各个实际参与事务的节点，这些节点相互隔离，彼此不知道对方是否提交事务。
• 协调者：收集和管理参与者的事务信息，负责统一管理节点信息，也就是分布式事务中的第三方。

准备阶段，也称投票阶段

准备阶段中，协调者向参与者发送 precommit 的消息，参与者在本地执行事务逻辑，如果没有超时以及运行无误，那么会记录 redo 和 undo 日志，将 ack 信息发送给协调者，当协调者收到所有节点参与者发送的 ack 信息时，准备进入下一阶段，否则会发送回滚信息给各个节点，各个节点根据之前记录好的 undo 信息回滚，本次事务提交失败。

提交阶段

提交阶段中，协调者已经收到所有节点的应答信息，接下来发送 commit 消息给各个节点，通知各个节点参与者可以提交事务，各个参与者提交完毕后一一发送完成信息给协调者，并释放本地占用的资源，协调者收到所有完成消息后，完成事务。

二阶段提交的图示如下：

二阶段提交的问题

二阶段提交虽然能够解决大多数的分布式事务的问题，且发生数据错误的概率极小，但仍然有以下几个问题：

• 单点故障：如果协调者宕机，那么参与者会一直阻塞下去，如果在参与者收到提交消息之前协调者宕机，那么参与者一直保持未成功提交的状态，会一直占用资源，导致同时间其他事务可能要一直等待下去。
• 同步阻塞问题：因为参与者是在本地处理的事务，是阻塞型的，在最终 commit 之前，一直占用锁资源，如果遇到时间较长而协调者未发回 commit 的情况，那么会导致锁等待。
• 数据一致性问题：假如协调者在第二阶段中，发送 commit 给某些参与者失败，那么就导致某些参与者提交了事务，而某些没有提交，这就导致了数据不一致。
• 二阶段根本无法解决的问题：假如协调者宕机的同时，最后一个参与者也宕机了，当协调者通过重新选举再参与到事务管理中时，它是没有办法知道事务执行到哪一步的。

针对于以上提出的一些问题，衍生出了 3PC。

分布式事务 – 3PC

3PC 即三阶段提交协议。

3PC 相对于 2PC，有了以下变化：

• 引入超时机制，在参与者和协调者中都加入了各自的超时策略。
• 加入了一个新的阶段，canCommit，所以阶段分成了三个：canCommit、PreCommit、DoCommit。

CanCommit

这是一个准备阶段，在这一阶段中，协调者向参与者发送 CanCommit 消息，参与者接收后，根据自身资源情况判断是否可以执行事务操作，如果可以并且未超时，则发送 yes 给协调者，反之，协调者会中断事务。

PreCommit

这是预备阶段，在这一阶段中，协调者向参与者发送 PreCommit 消息，参与者接收后，会执行事务操作，记录 undo 和 redo 日志，事务执行完毕后会将 Ack 消息发送给协调者，协调者在未超时的情况下收集所有参与者的信息，否则中断事务，通知所有参与者 Abort 消息。

DoCommit

当所有参与者 Ack 消息完毕之后，协调者会确认发送 DoCommit 消息给每一个参与者，执行提交事务。原则上所有参与者执行提交完毕之后，需要发送 Committed 给协调者，协调者完成事务。否则协调者中断事务，参与者接收 abort 消息会根据之前记录的 undo 回滚。
但也要注意，此阶段中如果参与者无法及时收到协调者发来的 Docommit 消息时，也会自行提交事务，因为从概率上来讲，PreCommit 这个阶段能够不被 abort 说明全部节点都可以正常执行事务提交，所以一般来讲单个节点提交不影响数据一致性，除非极端情况。

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。

消息中间件

上面提到的关于协调者在实践过程中由谁来担任是个问题，一般来讲这个协调者是异步的，可以在参与者和协调者之间双向通信的，有良好的消息传递机制，能够保证消息稳定投递。故而一般协调者的担任者是高性能的消息中间件例如 RocketMq、Kafka、RabbitMq 等。

如图就是一个 2PC 的实践：