微服务基础3-服务保护与分布式事务

简介: 本文介绍了微服务架构中常见的服务保护与分布式事务解决方案。主要内容包括:1. 微服务保护:分析级联故障、业务健壮性等问题,提出限流、线程隔离、熔断等保护方案,并介绍Sentinel的具体实现;2. 分布式事务:阐述跨服务事务问题,讲解Seata框架的XA和AT两种模式,比较其优缺点和适用场景。文章通过购物车、商品服务等实例,详细说明了如何利用Sentinel实现服务降级、熔断,以及如何使用Seata处理分布式事务问题,为微服务系统的高可用和数据一致性提供了实践指导。

 在微服务远程调用的过程中,还存在几个问题需要解决。

首先是业务健壮性问题:

例如在之前的查询购物车列表业务中,购物车服务需要查询最新的商品信息,与购物车数据做对比,提醒用户。大家设想一下,如果商品服务查询时发生故障,查询购物车列表在调用商品服 务时,是不是也会异常?从而导致购物车查询失败。但从业务角度来说,为了提升用户体验,即便是商品查询失败,购物车列表也应该正确展示出来,哪怕是不包含最新的商品信息。

还有级联失败问题:

还是查询购物车的业务,假如商品服务业务并发较高,占用过多Tomcat连接。可能会导致商品服务的所有接口响应时间增加,延迟变高,甚至是长时间阻塞直至查询失败。

此时查询购物车业务需要查询并等待商品查询结果,从而导致查询购物车列表业务的响应时间也变长,甚至也阻塞直至无法访问。而此时如果查询购物车的请求较多,可能导致购物车服务的Tomcat连接占用较多,所有接口的响应时间都会增加,整个服务性能很差, 甚至不可用。 image.gif 编辑

依次类推,整个微服务群中与购物车服务、商品服务等有调用关系的服务可能都会出现问题,最终导致整个集群不可用。

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这就是级联失败问题,或者叫雪崩问题。

还有跨服务的事务问题:

比如下单业务,下单的过程中需要调用多个微服务:

  • 商品服务:扣减库存
  • 订单服务:保存订单
  • 购物车服务:清理购物车

这些业务全部都是数据库的写操作,我们必须确保所有操作的同时成功或失败。但是这些操作在不同微服务,也就是不同的Tomcat,这样的情况如何确保事务特性呢?

1.微服务保护

保证服务运行的健壮性,避免级联失败导致的雪崩问题,就属于微服务保护。这章我们就一起来学习一下微服务保护的常见方案以及对应的技术。

1.1.服务保护方案

微服务保护的方案有很多,比如:

  • 请求限流
  • 线程隔离
  • 服务熔断

这些方案或多或少都会导致服务的体验上略有下降,比如请求限流,降低了并发上限;线程隔离,降低了可用资源数量;服务熔断,降低了服务的完整度,部分服务变的不可用或弱可用。因此这些方案都属于服务降级的方案。但通过这些方案,服务的健壮性得到了提升,

接下来,我们就逐一了解这些方案的原理。

1.1.1.请求限流

服务故障最重要原因,就是并发太高!解决了这个问题,就能避免大部分故障。当然,接口的并发不是一直很高,而是突发的。因此请求限流,就是限制或控制接口访问的并发流量,避免服务因流量激增而出现故障。

请求限流往往会有一个限流器,数量高低起伏的并发请求曲线,经过限流器就变的非常平稳。这就像是水电站的大坝,起到蓄水的作用,可以通过开关控制水流出的大小,让下游水流始终维持在一个平稳的量。

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1.1.2.线程隔离

当一个业务接口响应时间长,而且并发高时,就可能耗尽服务器的线程资源,导致服务内的其它接口受到影响。所以我们必须把这种影响降低,或者缩减影响的范围。线程隔离正是解决这个问题的好办法。

线程隔离的思想来自轮船的舱壁模式:

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轮船的船舱会被隔板分割为N个相互隔离的密闭舱,假如轮船触礁进水,只有损坏的部分密闭舱会进水,而其他舱由于相互隔离,并不会进水。这样就把进水控制在部分船体,避免了整个船舱进水而沉没。

为了避免某个接口故障或压力过大导致整个服务不可用,我们可以限定每个接口可以使用的资源范围,也就是将其“隔离”起来。

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如图所示,我们给查询购物车业务限定可用线程数量上限为20,这样即便查询购物车的请求因为查询商品服务而出现故障,也不会导致服务器的线程资源被耗尽,不会影响到其它接口。

1.1.3.服务熔断

线程隔离虽然避免了雪崩问题,但故障服务(商品服务)依然会拖慢购物车服务(服务调用方)的接口响应速度。而且商品查询的故障依然会导致查询购物车功能出现故障,购物车业务也变的不可用了。

所以,我们要做两件事情:

  • 编写服务降级逻辑:就是服务调用失败后的处理逻辑,根据业务场景,可以抛出异常,也可以返回友好提示或默认数据。
  • 异常统计和熔断:统计服务提供方的异常比例,当比例过高表明该接口会影响到其它服务,应该拒绝调用该接口,而是直接走降级逻辑。

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1.2.Sentinel

微服务保护的技术有很多,但在目前国内使用较多的还是Sentinel,所以接下来我们学习Sentinel的使用。

1.2.1.介绍和安装

Sentinel是阿里巴巴开源的一款服务保护框架,目前已经加入SpringCloudAlibaba中。官方网站:

https://sentinelguard.io/zh-cn/

Sentinel 的使用可以分为两个部分:

  • 核心库(Jar包):不依赖任何框架/库,能够运行于 Java 8 及以上的版本的运行时环境,同时对 Dubbo / Spring Cloud 等框架也有较好的支持。在项目中引入依赖即可实现服务限流、隔离、熔断等功能。
  • 控制台(Dashboard):Dashboard 主要负责管理推送规则、监控、管理机器信息等。

为了方便监控微服务,我们先把Sentinel的控制台搭建出来。

1)下载jar包

下载地址:https://b11et3un53m.feishu.cn/wiki/QfVrw3sZvihmnPkmALYcUHIDnff#B8m1djLmQohLpixhcQscVrFwnmY

2)运行

将jar包放在任意非中文、不包含特殊字符的目录下,重命名为sentinel-dashboard.jar

然后运行如下命令启动控制台:

java -Dserver.port=8090 -Dcsp.sentinel.dashboard.server=localhost:8090 -Dproject.name=sentinel-dashboard -jar sentinel-dashboard.jar

image.gif

3)访问

访问http://localhost:8090页面,就可以看到sentinel的控制台了: image.gif 编辑

需要输入账号和密码,默认都是:sentinel

登录后,即可看到控制台,默认会监控sentinel-dashboard服务本身:

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1.2.2.微服务整合

我们在cart-service模块中整合sentinel,连接sentinel-dashboard控制台,步骤如下: 1)引入sentinel依赖

<!--sentinel-->
<dependency>
    <groupId>com.alibaba.cloud</groupId> 
    <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-sentinel</artifactId>
</dependency>

image.gif

2)配置控制台

修改application.yaml文件,添加下面内容:

spring:
  cloud: 
    sentinel:
      transport:
        dashboard: localhost:8090

image.gif

3)访问cart-service的任意端点

重启cart-service,然后访问查询购物车接口,sentinel的客户端就会将服务访问的信息提交到sentinel-dashboard控制台。并展示出统计信息:

image.gif 编辑

点击簇点链路菜单,会看到下面的页面: image.gif 编辑

所谓簇点链路,就是单机调用链路,是一次请求进入服务后经过的每一个被Sentinel监控的资源。默认情况下,Sentinel会监控SpringMVC的每一个Endpoint(接口)。

因此,我们看到/carts这个接口路径就是其中一个簇点,我们可以对其进行限流、熔断、隔离等保护措施。

不过,需要注意的是,我们的SpringMVC接口是按照Restful风格设计,因此购物车的查询、删除、修改等接口全部都是/carts路径: image.gif 编辑

默认情况下Sentinel会把路径作为簇点资源的名称,无法区分路径相同但请求方式不同的接口,查询、删除、修改等都被识别为一个簇点资源,这显然是不合适的。

所以我们可以选择打开Sentinel的请求方式前缀,把请求方式 + 请求路径作为簇点资源名:

首先,在cart-serviceapplication.yml中添加下面的配置:

spring:
  cloud:
    sentinel:
      transport:
        dashboard: localhost:8090
      http-method-specify: true # 开启请求方式前缀

image.gif

然后,重启服务,通过页面访问购物车的相关接口,可以看到sentinel控制台的簇点链路发生了变化: image.gif 编辑

1.3.请求限流

在簇点链路后面点击流控按钮,即可对其做限流配置: image.gif 编辑

在弹出的菜单中这样填写: image.gif 编辑

这样就把查询购物车列表这个簇点资源的流量限制在了每秒6个,也就是最大QPS为6.

1.4.线程隔离

限流可以降低服务器压力,尽量减少因并发流量引起的服务故障的概率,但并不能完全避免服务故障。一旦某个服务出现故障,我们必须隔离对这个服务的调用,避免发生雪崩。

比如,查询购物车的时候需要查询商品,为了避免因商品服务出现故障导致购物车服务级联失败,我们可以把购物车业务中查询商品的部分隔离起来,限制可用的线程资源:

image.gif 编辑

这样,即便商品服务出现故障,最多导致查询购物车业务故障,并且可用的线程资源也被限定在一定范围,不会导致整个购物车服务崩溃。

所以,我们要对查询商品的FeignClient接口做线程隔离。

1.4.1.OpenFeign整合Sentinel

修改cart-service模块的application.yml文件,开启Feign的sentinel功能:

feign:
  sentinel:
    enabled: true # 开启feign对sentinel的支持

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需要注意的是,默认情况下SpringBoot项目的tomcat最大线程数是200,允许的最大连接是8492,单机测试很难打满。

所以我们需要配置一下cart-service模块的application.yml文件,修改tomcat连接:

server:
  port: 8082
  tomcat:
    threads:
      max: 50 # 允许的最大线程数
    accept-count: 50 # 最大排队等待数量
    max-connections: 100 # 允许的最大连接

image.gif

然后重启cart-service服务,可以看到查询商品的FeignClient自动变成了一个簇点资源:

image.gif 编辑

1.4.2.配置线程隔离

接下来,点击查询商品的FeignClient对应的簇点资源后面的流控按钮:

image.gif 编辑

在弹出的表单中填写下面内容: image.gif 编辑

注意,这里勾选的是并发线程数限制,也就是说这个查询功能最多使用5个线程,而不是5QPS。如果查询商品的接口每秒处理2个请求,则5个线程的实际QPS在10左右,而超出的请求自然会被拒绝。

image.gif 编辑

1.5.服务熔断

在上节课,我们利用线程隔离对查询购物车业务进行隔离,保护了购物车服务的其它接口。由于查询商品的功能耗时较高(我们模拟了500毫秒延时),再加上线程隔离限定了线程数为5,导致接口吞吐能力有限,最终QPS只有10左右。这就导致了几个问题:

第一,超出的QPS上限的请求就只能抛出异常,从而导致购物车的查询失败。但从业务角度来说,即便没有查询到最新的商品信息,购物车也应该展示给用户,用户体验更好。也就是给查询失败设置一个降级处理逻辑。

第二,由于查询商品的延迟较高(模拟的500ms),从而导致查询购物车的响应时间也变的很长。这样不仅拖慢了购物车服务,消耗了购物车服务的更多资源,而且用户体验也很差。对于商品服务这种不太健康的接口,我们应该直接停止调用,直接走降级逻辑,避免影响到当前服务。也就是将商品查询接口熔断

1.5.1.编写降级逻辑

触发限流或熔断后的请求不一定要直接报错,也可以返回一些默认数据或者友好提示,用户体验会更好。

给FeignClient编写失败后的降级逻辑有两种方式:

  • 方式一:FallbackClass,无法对远程调用的异常做处理
  • 方式二:FallbackFactory,可以对远程调用的异常做处理,我们一般选择这种方式。

这里我们演示方式二的失败降级处理。

步骤一:在hm-api模块中给ItemClient定义降级处理类,实现FallbackFactory

image.gif 编辑

代码如下:

package com.hmall.api.client.fallback;
import com.hmall.api.client.ItemClient;
import com.hmall.api.dto.ItemDTO;
import com.hmall.api.dto.OrderDetailDTO;
import com.hmall.common.exception.BizIllegalException;
import com.hmall.common.utils.CollUtils;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.cloud.openfeign.FallbackFactory;
import java.util.Collection;
import java.util.List;
@Slf4j
public class ItemClientFallback implements FallbackFactory<ItemClient> {
    @Override
    public ItemClient create(Throwable cause) {
        return new ItemClient() {
            @Override
            public List<ItemDTO> queryItemByIds(Collection<Long> ids) {
                log.error("远程调用ItemClient#queryItemByIds方法出现异常,参数:{}", ids, cause);
                // 查询购物车允许失败,查询失败,返回空集合
                return CollUtils.emptyList();
            }
            @Override
            public void deductStock(List<OrderDetailDTO> items) {
                // 库存扣减业务需要触发事务回滚,查询失败,抛出异常
                throw new BizIllegalException(cause);
            }
        };
    }
}

image.gif

步骤二:在hm-api模块中的com.hmall.api.config.DefaultFeignConfig类中将ItemClientFallback注册为一个Bean

image.gif 编辑

步骤三:在hm-api模块中的ItemClient接口中使用ItemClientFallbackFactory

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1.5.2.服务熔断

查询商品的RT较高(模拟的500ms),从而导致查询购物车的RT也变的很长。这样不仅拖慢了购物车服务,消耗了购物车服务的更多资源,而且用户体验也很差。

对于商品服务这种不太健康的接口,我们应该停止调用,直接走降级逻辑,避免影响到当前服务。也就是将商品查询接口熔断。当商品服务接口恢复正常后,再允许调用。这其实就是断路器的工作模式了。

Sentinel中的断路器不仅可以统计某个接口的慢请求比例,还可以统计异常请求比例。当这些比例超出阈值时,就会熔断该接口,即拦截访问该接口的一切请求,降级处理;当该接口恢复正常时,再放行对于该接口的请求。

断路器的工作状态切换有一个状态机来控制: image.gif 编辑

状态机包括三个状态:

  • closed:关闭状态,断路器放行所有请求,并开始统计异常比例、慢请求比例。超过阈值则切换到open状态
  • open:打开状态,服务调用被熔断,访问被熔断服务的请求会被拒绝,快速失败,直接走降级逻辑。Open状态持续一段时间后会进入half-open状态
  • half-open:半开状态,放行一次请求,根据执行结果来判断接下来的操作。
  • 请求成功:则切换到closed状态
  • 请求失败:则切换到open状态

我们可以在控制台通过点击簇点后的熔断按钮来配置熔断策略:

image.gif 编辑

在弹出的表格中这样填写: image.gif 编辑

这种是按照慢调用比例来做熔断,上述配置的含义是:

  • RT超过200毫秒的请求调用就是慢调用
  • 统计最近1000ms内的最少5次请求,如果慢调用比例不低于0.5,则触发熔断
  • 熔断持续时长20s

2.分布式事务

下单业务整体流程:

image.gif 编辑

由于订单、购物车、商品分别在三个不同的微服务,而每个微服务都有自己独立的数据库,因此下单过程中就会跨多个数据库完成业务。而每个微服务都会执行自己的本地事务:

  • 交易服务:下单事务
  • 购物车服务:清理购物车事务
  • 库存服务:扣减库存事务

整个业务中,各个本地事务是有关联的。因此每个微服务的本地事务,也可以称为分支事务。多个有关联的分支事务一起就组成了全局事务。我们必须保证整个全局事务同时成功或失败。

我们知道每一个分支事务就是传统的单体事务,都可以满足ACID特性,但全局事务跨越多个服务、多个数据库,是否还能满足呢?

多个事务联合构成的事务并未遵循ACID的原则,归其原因就是参与事务的多个子业务在不同的微服务,跨越了不同的数据库。虽然每个单独的业务都能在本地遵循ACID,但是它们互相之间没有感知,不知道有人失败了,无法保证最终结果的统一,也就无法遵循ACID的事务特性了。

这就是分布式事务问题,出现以下情况之一就可能产生分布式事务问题:

  • 业务跨多个服务实现
  • 业务跨多个数据源实现

2.1.认识Seata

解决分布式事务的方案有很多,但实现起来都比较复杂,因此我们一般会使用开源的框架来解决分布式事务问题。在众多的开源分布式事务框架中,功能最完善、使用最多的就是阿里巴巴在2019年开源的Seata了。

https://seata.io/zh-cn/docs/overview/what-is-seata.html

其实分布式事务产生的一个重要原因,就是参与事务的多个分支事务互相无感知,不知道彼此的执行状态。因此解决分布式事务的思想非常简单:

就是找一个统一的事务协调者,与多个分支事务通信,检测每个分支事务的执行状态,保证全局事务下的每一个分支事务同时成功或失败即可。大多数的分布式事务框架都是基于这个理论来实现的。

Seata也不例外,在Seata的事务管理中有三个重要的角色:

  • TC (Transaction Coordinator) - 事务协调者:维护全局和分支事务的状态,协调全局事务提交或回滚。
  • TM (Transaction Manager) - 事务管理器:定义全局事务的范围、开始全局事务、提交或回滚全局事务。
  • RM (Resource Manager) - 资源管理器:管理分支事务,与TC交谈以注册分支事务和报告分支事务的状态,并驱动分支事务提交或回滚。

Seata的工作架构如图所示: image.gif 编辑

其中,TMRM可以理解为Seata的客户端部分,引入到参与事务的微服务依赖中即可。将来TMRM就会协助微服务,实现本地分支事务与TC之间交互,实现事务的提交或回滚。

TC服务则是事务协调中心,是一个独立的微服务,需要单独部署。

2.2.微服务集成Seata

Seata支持多种存储模式,但考虑到持久化的需要,我们一般选择基于数据库存储。

基于Docker起Seata服务:

docker run --name seata \
-p 8099:8099 \
-p 7099:7099 \
-e SEATA_IP=192.168.150.101 \
-v ./seata:/seata-server/resources \
--privileged=true \
--network hm-net \
-d \
seataio/seata-server:1.5.2

image.gif

2.2.1.引入依赖

为了方便各个微服务集成seata,我们需要把seata配置共享到nacos,因此trade-service模块不仅仅要引入seata依赖,还要引入nacos依赖:

<!--统一配置管理-->
  <dependency>
      <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
      <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-nacos-config</artifactId>
  </dependency>
  <!--读取bootstrap文件-->
  <dependency>
      <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
      <artifactId>spring-cloud-starter-bootstrap</artifactId>
  </dependency>
  <!--seata-->
  <dependency>
      <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
      <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-seata</artifactId>
  </dependency>

image.gif

2.2.2.改造配置

首先在nacos上添加一个共享的seata配置,命名为shared-seata.yaml

image.gif 编辑

内容如下:

seata:
  registry: # TC服务注册中心的配置,微服务根据这些信息去注册中心获取tc服务地址
    type: nacos # 注册中心类型 nacos
    nacos:
      server-addr: 192.168.150.101:8848 # nacos地址
      namespace: "" # namespace,默认为空
      group: DEFAULT_GROUP # 分组,默认是DEFAULT_GROUP
      application: seata-server # seata服务名称
      username: nacos
      password: nacos
  tx-service-group: hmall # 事务组名称
  service:
    vgroup-mapping: # 事务组与tc集群的映射关系
      hmall: "default"

image.gif

然后,改造trade-service模块,添加bootstrap.yaml

image.gif 编辑

内容如下:

spring:
  application:
    name: trade-service # 服务名称
  profiles:
    active: dev
  cloud:
    nacos:
      server-addr: 192.168.150.101 # nacos地址
      config:
        file-extension: yaml # 文件后缀名
        shared-configs: # 共享配置
          - dataId: shared-jdbc.yaml # 共享mybatis配置
          - dataId: shared-log.yaml # 共享日志配置
          - dataId: shared-swagger.yaml # 共享日志配置
          - dataId: shared-seata.yaml # 共享seata配置

image.gif

可以看到这里加载了共享的seata配置。

然后改造application.yaml文件,内容如下:

server:
  port: 8085
feign:
  okhttp:
    enabled: true # 开启OKHttp连接池支持
  sentinel:
    enabled: true # 开启Feign对Sentinel的整合
hm:
  swagger:
    title: 交易服务接口文档
    package: com.hmall.trade.controller
  db:
    database: hm-trade

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2.3.XA模式

Seata支持四种不同的分布式事务解决方案:

  • XA
  • TCC
  • AT
  • SAGA

这里我们以XA模式和AT模式来给大家讲解其实现原理。

XA 规范 是 X/Open 组织定义的分布式事务处理(DTP,Distributed Transaction Processing)标准,XA 规范 描述了全局的TM与局部的RM之间的接口,几乎所有主流的数据库都对 XA 规范 提供了支持。

2.3.1.两阶段提交

A是规范,目前主流数据库都实现了这种规范,实现的原理都是基于两阶段提交。

正常情况:

image.gif 编辑

异常情况:

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一阶段:

  • 事务协调者通知每个事务参与者执行本地事务
  • 本地事务执行完成后报告事务执行状态给事务协调者,此时事务不提交,继续持有数据库锁

二阶段:

  • 事务协调者基于一阶段的报告来判断下一步操作
  • 如果一阶段都成功,则通知所有事务参与者,提交事务
  • 如果一阶段任意一个参与者失败,则通知所有事务参与者回滚事务

2.3.2.Seata的XA模型

Seata对原始的XA模式做了简单的封装和改造,以适应自己的事务模型,基本架构如图:

image.gif 编辑

RM一阶段的工作:

  1. 注册分支事务到TC
  2. 执行分支业务sql但不提交
  3. 报告执行状态到TC

TC二阶段的工作:

  1. TC检测各分支事务执行状态
    如果都成功,通知所有RM提交事务;如果有失败,通知所有RM回滚事务

RM二阶段的工作:

  • 接收TC指令,提交或回滚事务

2.3.3.优缺点

XA模式的优点是什么?

  • 事务的强一致性,满足ACID原则
  • 常用数据库都支持,实现简单,并且没有代码侵入

XA模式的缺点是什么?

  • 因为一阶段需要锁定数据库资源,等待二阶段结束才释放,性能较差
  • 依赖关系型数据库实现事务

2.3.4.实现步骤

首先,我们要在配置文件中指定要采用的分布式事务模式。我们可以在Nacos中的共享shared-seata.yaml配置文件中设置:

seata:
  data-source-proxy-mode: XA

image.gif

其次,我们要利用@GlobalTransactional标记分布式事务的入口方法: image.gif 编辑

2.4.AT模式

AT模式同样是分阶段提交的事务模型,不过缺弥补了XA模型中资源锁定周期过长的缺陷。

2.4.1.Seata的AT模型

基本流程图:

image.gif 编辑

阶段一RM的工作:

  • 注册分支事务
  • 记录undo-log(数据快照)
  • 执行业务sql并提交
  • 报告事务状态

阶段二提交时RM的工作:

  • 删除undo-log即可

阶段二回滚时RM的工作:

  • 根据undo-log恢复数据到更新前

2.4.2.流程梳理

我们用一个真实的业务来梳理下AT模式的原理。

比如,现在有一个数据库表,记录用户余额:

id

money

1

100

其中一个分支业务要执行的SQL为:

update tb_account set money = money - 10 where id = 1

image.gif

AT模式下,当前分支事务执行流程如下:

一阶段

  1. TM发起并注册全局事务到TC
  2. TM调用分支事务
  3. 分支事务准备执行业务SQL
  4. RM拦截业务SQL,根据where条件查询原始数据,形成快照。
{
  "id": 1, "money": 100
}

image.gif

  1. RM执行业务SQL,提交本地事务,释放数据库锁。此时 money = 90
  2. RM报告本地事务状态给TC

二阶段

  1. TM通知TC事务结束
  2. TC检查分支事务状态
  1. 如果都成功,则立即删除快照
  2. 如果有分支事务失败,需要回滚。读取快照数据({"id": 1, "money": 100}),将快照恢复到数据库。此时数据库再次恢复为100

流程图:

image.gif 编辑

2.4.3.AT与XA的区别

简述AT模式与XA模式最大的区别是什么?

  • XA模式一阶段不提交事务,锁定资源;AT模式一阶段直接提交,不锁定资源。
  • XA模式依赖数据库机制实现回滚;AT模式利用数据快照实现数据回滚。
  • XA模式强一致;AT模式最终一致

可见,AT模式使用起来更加简单,无业务侵入,性能更好。因此企业90%的分布式事务都可以用AT模式来解决。

2.5 CAP定理

解决分布式事务问题,需要一些分布式系统的基础知识作为理论指导,首先就是CAP定理。

1998年,加州大学的计算机科学家 Eric Brewer 提出,分布式系统有三个指标:

  • Consistency(一致性)
  • Availability(可用性)
  • Partition tolerance (分区容错性)

它们的第一个字母分别是 CAP。Eric Brewer认为任何分布式系统架构方案都不可能同时满足这3个目标,这个结论就叫做 CAP 定理。

为什么呢?

2.5.1.一致性

Consistency(一致性):用户访问分布式系统中的任意节点,得到的数据必须一致。

比如现在包含两个节点,其中的初始数据是一致的: image.gif 编辑当我们修改其中一个节点的数据时,两者的数据产生了差异: image.gif 编辑

要想保住一致性,就必须实现node01 到 node02的数据 同步: image.gif 编辑

2.5.2.可用性

Availability (可用性):用户访问分布式系统时,读或写操作总能成功。

只能读不能写,或者只能写不能读,或者两者都不能执行,就说明系统弱可用或不可用。

2.5.3.分区容错

Partition,就是分区,就是当分布式系统节点之间出现网络故障导致节点之间无法通信的情况:

image.gif 编辑

如上图,node01和node02之间网关畅通,但是与node03之间网络断开。于是node03成为一个独立的网络分区;node01和node02在一个网络分区。

Tolerance,就是容错,即便是系统出现网络分区,整个系统也要持续对外提供服务。

2.5.4.矛盾

在分布式系统中,网络不能100%保证畅通,也就是说网络分区的情况一定会存在。而我们的系统必须要持续运行,对外提供服务。所以分区容错性(P)是硬性指标,所有分布式系统都要满足。而在设计分布式系统时要取舍的就是一致性(C)和可用性(A)了。

假如现在出现了网络分区,如图:

image.gif 编辑

由于网络故障,当我们把数据写入node01时,可以与node02完成数据同步,但是无法同步给node03。现在有两种选择:

  • 允许用户任意读写,保证可用性。但由于node03无法完成同步,就会出现数据不一致的情况。满足AP
  • 不允许用户写,可以读,直到网络恢复,分区消失。这样就确保了一致性,但牺牲了可用性。满足CP

可见,在分布式系统中,AC之间只能满足一个。

2.6.BASE理论

既然分布式系统要遵循CAP定理,那么问题来了,我到底是该牺牲一致性还是可用性呢?如果牺牲了一致性,出现数据不一致该怎么处理?

人们在总结系统设计经验时,最终得到了一些心得:

  • Basically Available 基本可用:分布式系统在出现故障时,允许损失部分可用性,即保证核心可用。
  • Soft State软状态):在一定时间内,允许出现中间状态,比如临时的不一致状态。
  • Eventually Consistent最终一致性:虽然无法保证强一致性,但是在软状态结束后,最终达到数据一致。

以上就是BASE理论。

简单来说,BASE理论就是一种取舍的方案,不再追求完美,而是最终达成目标。因此解决分布式事务的思想也是这样,有两个方向:

  • AP思想:各个子事务分别执行和提交,无需锁定数据。允许出现结果不一致,然后采用弥补措施恢复,实现最终一致即可。例如AT模式就是如此
  • CP思想:各个子事务执行后不要提交,而是等待彼此结果,然后同时提交或回滚。在这个过程中锁定资源,不允许其它人访问,数据处于不可用状态,但能保证一致性。例如XA模式
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Dubbo Java 应用服务中间件
微服务学习 | Springboot整合Dubbo+Nacos实现RPC调用
微服务学习 | Springboot整合Dubbo+Nacos实现RPC调用
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NoSQL Java Redis
「Java面试题」互联网高频面试题,什么是幂等?如何解决幂等性问题
一个在传统行业工作了 7 年的粉丝私信我。说他最近去很多互联网公司面试,遇到的很多技术和概念都没听过。其中就有一道题是:”什么是幂等、如何解决幂等性问题“?他说,这个概念听都没听过,怎么可能回答出来。 接下来,我借这位同学的问题,给大家分享一下我对这个问题的理解。
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19天前
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存储 监控 前端开发
大文件上传下载处理方案-断点续传,秒传,分片,合并
本文介绍了大文件上传下载的断点续传技术方案。上传方面,通过前端将大文件分块(如5MB/块),后端使用MinIO存储分块并合并,实现断点续传和秒传功能。下载方面,采用Range请求分片下载,前端合并分片触发下载。技术要点包括:1)前端分块计算MD5;2)后端MinIO存储管理;3)分片校验与合并;4)进度监控和异常处理。该方案解决了大文件传输中断问题,提升用户体验,适用于视频等大文件传输场景,完整代码示例包含前后端实现。
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20天前
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运维 负载均衡 Java
微服务基础1-微服务拆分与服务调用
文章摘要: 本文详细介绍了微服务架构的概念、优势及实现方式。对比单体架构的局限性,微服务通过拆分功能模块实现高内聚、低耦合,提升系统可用性和开发效率。重点讲解了微服务拆分策略(纵向按功能、横向抽通用)、服务注册与发现机制(基于Nacos),以及远程调用方案(RestTemplate和OpenFeign)。OpenFeign通过动态代理简化RPC调用,支持连接池和日志配置,使远程调用如同本地方法。文章还探讨了微服务拆分时机(初创期验证后或大型项目初期直接采用),为不同规模团队提供架构演进建议。
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20天前
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消息中间件 运维 Java
详解RabbitMQ1-基础使用
MQ异步通信技术摘要 MQ(消息队列)是一种异步通信方式,通过消息Broker实现生产者、消费者解耦。RabbitMQ作为主流MQ方案,支持多种交换机类型(Fanout广播、Direct路由、Topic主题)实现灵活消息路由。Spring AMQP简化了RabbitMQ集成,提供: 自动声明队列/交换机 注解式监听器 RabbitTemplate消息模板 核心优势包括降低耦合、提升性能、故障隔离,但也需考虑Broker可靠性问题。实际开发中需注意: 配置prefetch控制消费速率 使用JSON转换器替代默
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20天前
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JSON 自然语言处理 数据库
详解ElasticSearch1-基础使用
摘要:本文探讨了数据库模糊搜索的局限性及Elasticsearch(ES)的优势。数据库模糊查询存在性能低、功能单一等问题,而ES通过倒排索引技术实现高效搜索,支持复杂查询需求。文章详细介绍了ES的核心概念、安装部署、索引库操作(CRUD)、文档管理及Java API集成方法,并对比了ES与MySQL的适用场景。最后演示了批量导入文档的实践方案,为海量数据搜索场景提供了专业解决方案。(149字)
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19天前
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前端开发 Java Maven
MinIO的预签名直传机制
我们传统使用MinIo做OSS对象存储的应用方式往往都是在后端配置与MinIO的连接和文件上传下载的相关接口,然后我们在前端调用这些接口完成文件的上传下载机制,但是,当并发量过大,频繁访问会对后端的并发往往会对服务器造成极大的压力,大文件传输场景下,服务器被迫承担数据中转的角色,既消耗大量带宽资源,又形成单点性能瓶颈。这时,我们引入了MinIO的一种预签名机制。
MinIO的预签名直传机制
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19天前
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安全 NoSQL Java
基于JWT+SpringSecurity整合一个单点认证授权机制
本文介绍了基于JWT和SpringSecurity的授权认证机制架构设计。系统采用RBAC权限模型,通过5张表描述用户-角色-权限关系。认证流程包含登录验证、IP检查、密码匹配等环节,使用JWT生成token并保存用户信息到Redis。授权部分利用@PreAuthorize注解和PermissionService实现权限校验,支持单权限、多权限及角色验证。整体架构通过过滤器链实现无状态认证,兼顾安全性和灵活性,为开发者提供了完整的认证授权解决方案。
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19天前
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人工智能 NoSQL Java
大模型应用开发2-SpringAI实战
本文介绍了SpringAI框架如何整合大语言模型,并详细讲解了应用开发的关键技术。主要内容包括: 核心功能 支持OpenAI、Ollama等主流平台 封装对话模型、向量计算等功能 提供同步/异步调用方式 关键技术实现 会话记忆管理(内存/Redis) 工具调用(Function Calling) 知识增强(RAG)架构 多模态交互(文本/图像) 典型应用场景 文献阅读助手实现 智能客服系统 文档知识库问答 开发实践 配置向量数据库 处理PDF文档 实现工具调用 兼容阿里云平台 该框架显著简化了大模型应用开发
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19天前
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人工智能 JavaScript 数据挖掘
大模型应用开发4-MCP实战
MCP(模型上下文协议)是由Anthropic推出的开放标准,旨在解决AI互联领域中智能体与工具间的交互问题。该协议提供统一的数据访问方式,克服传统AI集成碎片化的局限性。MCP支持两种通信机制:stdio(本地进程通信)和SSE(远程服务调用)。其架构包含MCP Host(主应用)、MCP Client(请求转发)和MCP Server(工具执行)三部分。文章详细介绍了MCP的安装配置、工作原理,并通过一个本地舆情分析系统的开发案例,展示了如何实现客户端与服务端的交互。此外还介绍了CherryStudio