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Apache ShardingSphere 如何实现分布式事务

Apache ShardingSphere 如何实现分布式事务
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陆敬尚，Apache ShardingSphere Committer，SphereEx 基础设施研发工程师，热爱开源，热爱数据库技术，目前专注于 Apache ShardingSphere 事务模块的开发。
背景 随着业务的快速发展，数据的不断膨胀，流量负载的增加，业务系统遇到了强烈的挑战，对数据库系统可扩展性提出了强烈的诉求。Oracle、MySQL、SQL Server、PostgreSQL 传统单机数据库在线扩展上的问题日益凸显。为了解决扩展问题，出现了可水平扩展的分布式数据库，于是分布式事务问题成为了必须面对的问题。
在这种背景下，ShardingSphere 提供了一套分布式数据库增强计算引擎，通过可插拔架构构建基于数据库之上的生态系统，提供了分布式事务的能力。
事务介绍 事务语义
事务语义定义了四个特性：原子性（Atomicity）、持久性（Durability）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolatation）。
原子性（Atomicity） 在分布式场景下，一个事务的操作可能分布在多个物理节点上，保证在多个节点上的操作都成功，或都不成功。
持久性（Durability） 事务提交后，即使断电，事务的操作也是有效的。
一致性（Consistency） 注意：不是 CAP 理论中 C，CAP 中的 C 指的是多副本之间的数据一致问题，这里是不同层次的抽象。
站在用户的角度，数据从一个状态，转移到另外一个状态，两个状态都满足一定的约束。比如：
银行账户数据，账户 A 有 500 元，账户 B 有 500 元，总额 1000，在一个事务中，执行完 A 和 B 的转账操作后，A 和 B 的账户总额还是 1000。
隔离性（Isolatation） 事务并发执行时，保证并发时数据的正确性。比如：两个事务同时修改一条数据，保证两个事务按一定顺序执行，使数据保持在一个正确的状态。
面临的挑战
分布式事务相对单机事务来说面临下面的挑战：
  1. 原子性，对于单机事务来说，使用 undo log 和 redo log 就可以保证全部提交或者全部回滚。而分布式事务涉及多个物理节点，每个节点情况是不同的，有的节点日志写成功，有的节点日志写不成功。
  2. 网络的不稳定，对于单机来说，通讯是稳定的，任何操作都可以得到回复，不论成功与失败。而分布式场景下，网络是不稳定的，有可能一个操作是得不到回复的，怎样保证分布式事务的可用性（异常事务的清理、恢复等）是一个问题。
  3. 并发控制，随着 MVCC 的出现，操作的可线性化（linearizable）成为了刚需。在单机数据库中，可以很容易地产生全局单调递增的事务号，在分布式场景中则不然。
解决方案
原子提交 针对原子性和网络不稳定问题，目前主流的解决方案是 2PC，2PC 定义了两个角色 TM（Transaction Manager）、RM（Resource Manager）。
在分布式场景下，一个事务的操作可能分布在多个节点上，整个事务分两个阶段。
  1. 第一阶段，RM 锁定相关资源并执行具体操作，返回成功与否给 TM。
  2. 第二阶段，TM 更具第一阶段 RM 返回的结果，如果全部成功，执行最后的提交操作（事务状态的更改，锁状态删除等），如果有失败的，则回滚。
说明：当然会有一些优化点，比如不涉及多节点的事务转化为一阶段提交等。
注意：两阶段提交协议只解决了提交的问题，要么提交成功，要么不成功，不存在部分成功的中间状态。和事务隔离级别没有必然关系。
并发控制 并发控制，就是保证并发执行的事务在某一种隔离级别上的执行策略。自从多版本控制（MVCC）出现，主流数据库基本抛弃了以前的两阶段锁模型。
并发控制本质是对数据读和写的并发的控制。并发控制的策略决定了隔离级别，并发控制要解决两个问题。
  1. 决定并发的粒度，比如 MySQL 有行锁（粒度为一行），表锁（粒度为一个表）等
  2. 三种并发场景的行为：
a. 读读并发，不需要特殊处理，因为不涉及数据的变更。
b. 写写并发，不能同时并发，否则会产生数据混乱。
c. 读写并发，性能优化主要在这里做，有多种并发控制机制，基本都选择了多版本并发控制(MVCC)。
【Apache ShardingSphere 如何实现分布式事务】MVCC 并发控制模型
现有主流实现方式有两种：
  • 基于事务 ID 和 ReadView
每次事务获取事务 ID，标识事务的开启顺序，通过活跃事务列表来获取快照，存储多个以事务 ID 为版本的数据，从而达到并发控制的效果。MySQL、Postgres-XL 都是采取的这种方案。
  • 基于 timestamp
引入 timestamp，通过在数据中添加 timestamp 相关属性，通过对比数据的 commitTs（commit timestamp） 和 Snapshot timestamp 来判断可见性，从而达到可线性化的并发控制效果。Spanner 采用的这种方案。
上面两种方案都离不开全局事务号的生成，常见的全局事务号生成机制有 TrueTime（Spanner 采用），HLC（CockroachDB 采用有误差的 HLC），TSO（Timestamp Oracle），详细原理见参考文献。
ShardingSphere 事务设计 ShardingSphere 事务功能建立在存储 DB 的本地事务之上，提供 LOCAL、XA、BASE 三种模式事务，使用者只需使用原生事务方式（begin/commit/rollback），就可以使用三种模式，在一致性和性能做合适的权衡。
LOCAL
LOCAL 模式直接建立在存储 DB 的本地事务上的，会存在一定的原子性问题，当然性能是最高的，如果可以容忍这个问题，这将是一个不错的选择。
XA
XA 模式，XA 协议是基于 2PC 定义的一套交互协议，定义了 xa start/prepare/end/commit/rollback 等接口，常用的实现有 Narayana、Atomics， ShardingSphere 集成了 Narayana、Atomics 的 XA 实现。
  1. app 连接到 Proxy 上，Proxy 创建一个 session 的对象和这个 connection 绑定。
  2. app 执行 begin，Proxy 通过 Narayana TM 新建一个逻辑 transaction，和当前 session 绑定。
  3. app 执行具体 SQL，session 负责建立到存储 DB 的 connection，并把 connection 通过 Transaction.enlistResource() 接口把 connection 注册到 transaction，执行 XA START {XID} 开启事务，并执行路由改写后的 SQL。
  4. app 执行 commit 命令，transaction 中注册的连接存储 DB 的 connection，分别执行 xa prepare，当所有 connection 返回 ok，更新 transaction 状态为 prepared，每个 connection 执行 xa commit，都返回 ok 更新 transaction 状态为 commited，提交成功。如果 prepare 过程部分失败，用户可以通过 rollback 命令出发回滚，不处理则有后台进程进行清理。
  5. app 执行 rollback 命令，transaction 中注册的连接存储 DB 的 connection，分别执行 xa rollback，进行回滚。
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BASE
Base（Basically Available, Soft State, Eventually Consistent）模式，BASE 事务是 CAP 理论中 C 和 A 权衡的结果，Seata 的 AT 模式是 Base 事务的一种实现，ShardingSphere 集成了 Seata 的 AT 实现。
  1. app 连接到 Proxy 上，Proxy 创建一个 session 的对象和这个 connection 绑定。
  2. app 执行 begin，Proxy 通过 Seata TM 新建一个逻辑 transaction，和当前 session 绑定，并注册到 Seata Server。
  3. app 执行一条逻辑 SQL，session 负责建立到存储 DB 的 connection，每个 connection 是 Seata 的 ConnectionProxy 实例，对路由改写后的 actual sql 进行解析, 做一些拦截，比如：如果是修改操作，执行 begin 获取本地锁，执行一条 SQL， 执行 commit 释放本地锁，上报分支事务结果到 Seata Server。
  4. app 执行 commit 命令，Proxy 中的 Seata TM 通知 Seata Server 后，直接返回 app，Seata Server 异步和 Proxy 交互，进行删除事务日志。
  5. app 执行 rollback 命令，Proxy 中的 Seata TM 通知 Seata Server 后，直接返回 app，Seata Server 异步和 Proxy 交互，执行补偿操作，删除事务日志。
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详细流程参考 Seata 官网。
使用示例 安装包准备
以支持较好的 XA，集成 Narayana 的实现为例，进行介绍。由于 Narayana 的 License 问题，不能直接打包到安装包内，需要添加额外的依赖。
根据官网下载好安装包，解压到 ${ShardingSphere} 目录，往 ${ShardingSphere}/lib 目录下添加以下 jar 包。（下载地址：https://mvnrepository.com/）
jta-5.12.4.Final.jar
arjuna-5.12.4.Final.jar
common-5.12.4.Final.jar
jboss-connector-api_1.7_spec-1.0.0.Final.jar| ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
jboss-logging-3.2.1.Final.jar| ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
jboss-transaction-api_1.2_spec-1.0.0.Alpha3.jar| ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
jboss-transaction-spi-7.6.0.Final.jar
mysql-connector-java-5.1.47.jar| ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
narayana-jts-integration-5.12.4.Final.jar
shardingsphere-transaction-xa-narayana-5.1.1-SNAPSHOT.jar

MySQL 实例准备
  1. 准备两个 MySQL 实例，127.0.0.1:3306，127.0.0.1:3307。
  2. 两个 MySQL 实例分别创建用户 root, 密码为 12345678。
  3. 两个 MySQL 实例分别创建 test 库。
ShardingSphere-Proxy 配置
修改 server.yaml 事务配置
rules:
- !AUTHORITY
users:
- root@%:root
- sharding@:sharding
provider:
type: ALL_PRIVILEGES_PERMITTED
- !TRANSACTION
defaultType: XA
providerType: Narayana

修改 conf/conf-sharding.yaml
dataSources:
ds_0:
url: jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/test?serverTimezone=UTC&allowPublicKeyRetrieval=true&useSSL=false
username: root
password: 12345678
connectionTimeoutMilliseconds: 30000
idleTimeoutMilliseconds: 60000
maxLifetimeMilliseconds: 1800000
maxPoolSize: 50
minPoolSize: 1
ds_1:
url: jdbc:mysql://127.0.0.1:3307/test?serverTimezone=UTC&allowPublicKeyRetrieval=true&useSSL=false
username: root
password: 12345678
connectionTimeoutMilliseconds: 30000
idleTimeoutMilliseconds: 60000
maxLifetimeMilliseconds: 1800000
maxPoolSize: 50
minPoolSize: 1

rules:
- !SHARDING
tables:
account:
actualDataNodes: ds_${0..1}.account${0..1}
tableStrategy:
standard:
shardingColumn: id
shardingAlgorithmName: account_inline
keyGenerateStrategy:
column: id
keyGeneratorName: snowflake
defaultDatabaseStrategy:
standard:
shardingColumn: id
shardingAlgorithmName: database_inline
defaultTableStrategy:
none:

shardingAlgorithms:
database_inline:
type: INLINE
props:
algorithm-expression: ds_${id  %  2}
            account_inline:
                type:  INLINE
                props:
                    algorithm-expression:  account${id % 2}

keyGenerators:
snowflake:
type: SNOWFLAKE
props:
worker-id: 123

启动ShardingSphere-Proxy
参考如下命令启动 Proxy：
cd ${ShardingSphere}
./bin/start.sh

使用 ShardingSphere-Proxy
使用 MySQL Client 连接 ShardingSphere-Proxy 进行测试，参考如下命令。
mysql -h127.0.0.1 -P3307 -uroot -proot

mysql> use sharding_db;
Database changed
mysql> create table account(id int, balance float ,transaction_id int);
Query OK, 0 rows affected (0.12 sec)

mysql> select from account;
Empty set (0.02 sec)

mysql> begin;
Query OK, 0 rows affected (0.09 sec)

mysql> insert into account(id, balance, transaction_id) values(1,1,1),(2,2,2);
Query OK, 2 rows affected (0.53 sec)

mysql> select from account;
+------+---------+----------------+
| id| balance | transaction_id |
+------+---------+----------------+
|2 |2.0 |2 |
|1 |1.0 |1 |
+------+---------+----------------+
2 rows in set (0.03 sec)

mysql> commit;
Query OK, 0 rows affected (0.05 sec)

mysql> select * from account;
+------+---------+----------------+
| id| balance | transaction_id |
+------+---------+----------------+
|2 |2.0 |2 |
|1 |1.0 |1 |
+------+---------+----------------+
2 rows in set (0.02 sec)

未来规划 现在 ShardingSphere 的分布式事务集成了第三方的 2PC 实现方案，提供了原子性的保证，隔离性依赖于存储 DB 的隔离保证，提供了可用的事务功能。未来基于全局 Timestamp 实现 MVCC，结合 2PC，对事务隔离语义提供更好的支持。欢迎大家关注 ShardingSphere 的成长。
如果大家对 Apache ShardingSphere 有任何疑问或建议，欢迎在 GitHub issue 列表提出，或可前往中文社区交流讨论。
GitHub issue：https://github.com/apache/shardingsphere/issues
贡献指南：https://shardingsphere.apache.org/community/cn/contribute/
中文社区：https://community.sphere-ex.com/
参考文献 1.ACID wiki：https://en.wikipedia.org/wiki/ACID
2.ANSI isolation levels：https://renenyffenegger.ch/notes/development/databases/SQL/transaction/isolation-level
3.《Distributed Transactions Are Evil》：https://wiki.c2.com/?DistributedTransactionsAreEvil
4.《Distributed transactions and why you should care》：https://towardsdatascience.com/distributed-transactions-and-why-you-should-care-116b6da8d72
5.《Fault-Tolerant Stream Processing at Internet Scale》：http://static.googleusercontent.com/media/research.google.com/en/us/pubs/archive/41378.pdf
6.《Oracle Two Phase Commit 2PC Tips》：http://www.dba-oracle.com/t_two_phase_commit_2pc.htm
7.《2PC: Concurrency Control and Recovery in Database Systems》：https://courses.cs.washington.edu/courses/cse551/09au/papers/CSE550BHG-Ch7.pdf
8.《An Empirical Evaluation of In-Memory Multi-Version Concurrency Control》：https://15721.courses.cs.cmu.edu/spring2018/papers/05-mvcc1/wu-vldb2017.pdf
9.《Concurrency Control And Recovery In Database Systems》：https://courses.cs.washington.edu/courses/cse551/09au/papers/CSE550BHG-Ch7.pdf
10.《Optimistic Concurrency Control》：[https://15721.courses.cs.cmu....）]()
11.《Base: An Acid Alternative》：https://queue.acm.org/detail.cfm?id=1394128
12.《Jepsen: CockroachDB beta-20160829》：https://jepsen.io/analyses/cockroachdb-beta-20160829
13.《Spanner: Google’s Globally-Distributed Database》：https://static.googleusercontent.com/media/research.google.com/en//archive/spanner-osdi2012.pdf
欢迎添加社区经理微信（ss_assistant_1）加入交流群，与众多 ShardingSphere 爱好者一同交流。
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