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本文根据 SOFAChannel#12 直播分享整理，主题：蚂蚁金服分布式事务实践解析。
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大家好，我是今天分享的讲师仁空，目前是蚂蚁金服分布式事务产品的研发。今天跟大家分享的是蚂蚁金服分布式事务实践解析，也就是分布式事务 Seata 在蚂蚁金服内部的实践。
今天我们将从以下 4 个主题进行详细介绍：
- 为什么会有分布式事务产品的需求；
- 理论界针对这个需求提出的一些理论和解决方案；
- 蚂蚁金服在工程上是如何解决这个问题的；
- 针对蚂蚁金服业务场景的性能优化；
分布式事务产生背景
首先是分布式事务产生的背景。
支付宝支付产品在 2003 年上线的时候，那时候的软件形态是单体应用，在一个应用内完成所有的业务逻辑操作。随着软件的工业化，场景越来越复杂，软件也越做越大，所有的业务在一个应用内去完成变的不可能，出现了软件模块化、服务化。
在从单体应用升级到分布式架构过程中，很自然得需要进行业务服务拆分，将原来糅在一个系统中的业务进行梳理，拆分出能独立成体系的各个子系统，例如交易系统、支付系统、账务系统等，这个过程就是服务化。业务服务拆分之后，原来一个服务就能完成的业务操作现在需要跨多个服务进行了。
另一个就是数据库拆分，分库分表。原来的单体数据库存不下的这么多信息，按服务维度拆库，比如把用户相关的存一起，形成用户库，订单放一块形成订单库，这个是拆库的过程；另一个是拆表，用户信息按照用户 ID 散列到不同的 DB 中，水平拆分，数据库的容量增大了。这样分库分表之后，写操作就会跨多个数据库了。
分布式事务理论基础
我们可以看到，在分布式架构中，跨数据库、跨服务的问题是天然存在的。一个业务操作的完成，需要经过多个服务配合完成，这些服务操作的数据可能在一个机房中，也可能跨机房存在，如果中间某一个服务因为网络或机房硬件的问题发生了抖动，怎么保证这笔业务最终的状态是正确的，比如支付场景，怎么防止我转钱给你的过程中，我的钱扣了，而对方的账户并没有收到钱。这个就是业务最终一致性的问题，是分布式事务需要解决的问题。
2PC 协议
针对这个问题，理论界也提出了解决方案，其中最为人熟知的就是二阶段协议了，简称2PC（Two Phase Commitment Protocol）两阶段提交协议。
两阶段提交协议，就是把整个过程分成了两个阶段，这其中，它把参与整个过程的实体分成了两类角色，一个叫事务管理器或事务协调者，一个叫资源管理器，事务管理器我们也把它叫做事务发起方，资源管理器称为事务参与者。
两个阶段，第一个阶段是资源准备阶段，比如我要转账，我要先查询下我的余额够不够，够的话我就把余额资源预留起来，然后告诉发起方“我准备好了”，第二个阶段，事务发起方根据各个参与者的反馈，决定事务的二阶段操作是提交还是取消。
TCC 协议
另一个协议是 TCC 协议，各个参与者需要实现3个操作：Try、Confirm 和 Cancel，3个操作对应2个阶段，Try 方法是一阶段的资源检测和预留阶段，Confirm 和 Cancel 对应二阶段的提交和回滚。
图中，事务开启的时候，由发起方去触发一阶段的方法，然后根据各个参与者的返回状态，决定二阶段是调 Confirm 还是 Cancel 方法。
蚂蚁金服分布式事务介绍
2019年，蚂蚁金服跟阿里巴巴共同开源了分布式事务 Seata ，目前 Seata 已经有 TCC、AT、Saga 模式，Seata 意为：Simple Extensible Autonomous Transaction Architecture，是一套一站式分布式事务解决方案。今天的分享也是 Seata 在蚂蚁金服内部的实践。
分布式事务在蚂蚁金服的发展
基于上述的理论，接下来我们详细看下蚂蚁金服的分布式事务实现。
经过多年的发展，蚂蚁金服内部针对不同的场景发展了几种不同的模式，最早的是 TCC 模式，也就是上面讲的 Try - confirm - Cancel，我们定义接口规范，业务自己实现这3个操作。这个模式提供了更多的灵活性，因为是业务自己实现的，用户可以介入两阶段提交过程，以达到特殊场景下的自定义优化及特殊功能的实现，这个模式能几乎满足任何我们想到的事务场景，比如自定义补偿型事务、自定义资源预留型事务、消息事务等场景。TCC 模式广泛用于蚂蚁金服内部各金融核心系统。
这里要强调一点的是，TCC 模式与底层数据库事务实现无关，是一个抽象的基于 Service 层的概念，也就是说，在 TCC 的范围内，无论是关系型数据库 MySQL，Oracle，还是 KV 存储 MemCache，或者列式存储数据库 HBase，只要将对它们的操作包装成 TCC 的参与者，就可以接入到 TCC 事务范围内。
TCC 模式的好处是灵活性，弊端是牺牲了易用性，接入难度比较大，所有参与者需要进行改造提供 Try - Confirm - Cancel 三个方法。为了解决 TCC 模式的易用性问题，蚂蚁金服分布式事务推出了框架管理事务模式（Framework - Managed Transactions，简称 FMT），也就是 Seata 中的 AT 模式。FMT 模式解决分布式事务的易用性问题，最大的特点是易于使用、快速接入、对业务代码无侵入。
XA 模式是依赖于底层数据库实现的。
Saga 模式是基于冲正模型实现的一个事务模式，现在的银行业金融机构普遍用的是冲正模型。
这期我们重点讲 TCC 和 FMT，关于 Saga 模式，之前 Saga 模式也有专场直播分享过，感兴趣的可以看一下之前的直播回顾：《Seata 长事务解决方案 Saga 模式 | SOFAChannel#10 回顾》。
TCC 模式在蚂蚁金服内的使用
首先看下 TCC 模式，主要包含一下几个模块：
- 参与者，它要实现全部的三个方法，Try、Confirm 和 Cancel；
- 发起方，主要是作为协调者的角色，编排各个参与者，比如调用参与者的一阶段方法，决策二阶段是执行提交还是回滚；
举个例子，比如在这个流程图中，存在一个发起方和两个参与者，两个参与者分别实现了 Try、Confirm 和 Cancel 接口，第一阶段被包含在发起方的本地事务模版中（图中黄颜色的两条虚线就是发起方本地事务的范围），也就是说发起方负责调用各个参与者的一阶段方法，发起方的本地事务结束后，开始执行二阶段操作，二阶段结束则整个分布式事务结束。
二阶段是通过 Spring 提供的事务同步器实现的，发起方在发起一个分布式事务的时候，会注册一个事务同步器，当发起方本地事务结束的时候，会进入事务同步器的回调方法中。如果发起方的本地事务失败，则在回调中自动回滚所有参与者。如果发起方的本地事务成功，则二阶段自动提交所有参与者。二阶段结束后，删除所有事务记录。
总结一下：
- 事务发起方是分布式事务的协调者；
- 分布式事务必须在本地事务模板中进行，发起方本地事务的最终状态（提交或回滚）决定整个分布式事务的最终状态；
- 发起方主职责：开启一个分布式事务 + 调用参与者一阶段方法。发起方实现的时候，首先是开启一个本地事务，调用 Start 开启分布式事务，框架会自动注册一个 Spring 事务同步器，然后发起方发起对参与者 Try 方法的调用，当有一个 Try 方法失败，则阻断发起方本地事务，状态置为回滚；否则，所有的参与者 Try 成功，整个分布式事务的状态就是提交。框架会利用事务同步器自动去执行参与者的二阶段方法；
- 使用数据库持久化记录事务数据，也就是会跟踪发起方和各个参与者的状态，我们称为主事务状态和分支事务状态。这样我们就知道一个大事务整体是处于什么状态，每个参与者又是什么状态，当一笔事务失败时，我们就能捞起那些失败的参与者，进行补偿重试；
上面讲了整个流程以及发起方的实现内容，现在看下业务在实现参与者的时候，需要遵循以下规范：
- 业务模型分二阶段设计；
- 幂等控制；
- 并发控制；
- 允许空回滚；
- 防悬挂控制；
我们逐个了解一下：
- 二阶段设计
二阶段设计和幂等控制比较容易明白。二阶段设计就是一阶段的资源预留和二阶段的提交回滚。
比如以扣钱场景为例，账户 A 有 100 元，要扣除其中的 30 元。一阶段要先检查资源是否足够，账户余额是否大于等于 30 块，资源不足则需要立马返回失败；资源足够则把这部分资源预留起来，预留就是锁资源，锁的粒度可大可小，尽量是按照最小粒度、尽快释放的原则来，比如这里引入一个“冻结部分”的字段，“可用余额”在一阶段后就能立马得到释放，锁的是冻结字段。
二阶段，如果是提交则真正扣除冻结的 30 元；如果是回滚的话，则把冻结部分加回可用余额里。
我们看个具体的客户案例，网商银行在使用 TCC 时，划分了三层，最上一层是具体的业务平台，承接着外部不断变化的业务需求；中间是资产交换服务，是事务发起方层，由它来发起和编排各种不同的事务链路；最底下一层是事务参与者层，提供最基础的服务，比如存款核心提供的存入、支出、冻结、解冻服务，借记账务的各种原子服务等。
看下我们日常生活中常见的几个金融业务场景，支出、存入、冻结、解冻、提现、手续费和销户。提现场景，比如信用卡提现至银行卡，类似 A 到 B 的转账；手续费，跟转账类似。
下面重点介绍一下其他 4 个场景：支出（扣款）、存入（记入）、冻结和解冻四个 Case。
首先，看下账户表的设计，前面说过，在设计的时候，需要尽可能减少锁的时间和锁的粒度，这里账户表有这4个字段：当前余额、未达金额、业务冻结金额和预冻结金额。用户看到的余额 = 当前金额 - 预冻结 - 业务冻结金额。
支出（扣款）场景
先来看下支出（扣款）场景下，账户表里各字段的数额变化。初始状态下，显示的账户余额，和当前余额是一致的。TCC 的一阶段检查并预留资源，这里对应的资源是
“预冻结金额”字段，预冻结金额设置为 100 元，当前余额不变。因为 100 块被预冻结了，显示给用户的可用余额现在是 900 元。如果二阶段是提交的话，就释放预冻结金额，扣除当前余额，账户的当前余额就是 900 元。如果二阶段不是提交，是回滚，这里就是把一阶段的资源释放，也就是把预冻结金额释放回去，显式的账户余额重新变成 1000 元。
存入场景
上面是支出（扣款）场景，再来看下存入的场景。初始状态还是当前余额和显式的可用余额都是1000元。因为是存入，一阶段的话就是“未达金额”加 100 元，显示的可用余额还是不变。二阶段如果是提交，就把未达金额清除，把这部分的钱加到当前余额，当前余额就是 1100 元了。如果二阶段是回滚，直接清除一阶段的未达金额即可。
冻结场景
冻结场景则是在一阶段是资源预留，就是预冻结，预冻结金额字段设置为 100 元，显示给用户的可用余额也要少 100 块。二阶段如果是提交，就是真正冻结，把预冻结金额释放，添加业务冻结金额。二阶段回滚的话，就是把一阶段的预冻结释放。
解冻场景
最后看下解冻场景，一阶段检查账户状态是不是可用，二阶段如果提交，就释放冻结金额，显示的可用余额就多了 100 元。二阶段如果是回滚状态，就什么都不用做。
以上分享了接入 TCC 如何进行二阶段设计以及如何进行资源预留，用实际的金融场景分析了下 TCC 一二阶段需要做的事情。因为二阶段设计是 TCC 接入的关键，所以进行了重点阐述。接下来我们继续看 TCC 设计的其他规范。
- 幂等控制
幂等控制，就是 Try-Confirm-Cancel 三个方法均需要保持幂等性。无论是网络数据包重传，还是异常事务的补偿执行，都会导致 TCC 服务的 Try、Confirm 或者 Cancel 操作被重复执行；用户在实现 TCC 服务时，需要考虑幂等控制，即 Try、Confirm、Cancel 执行一次和执行多次的业务结果是一样的。
- 并发控制
并发控制即当两个并发执行的分布式事务操作同一个账号时，冻结的部分是相互隔离的，也就是 T1 冻结金额只能被事务 1 使用，T2 冻结金额只能被事务 2 使用。冻结资源与事务 ID 之间建立关联关系。
- 允许空回滚
首先对空回滚的定义就是 Try 未执行，Cancel 先执行了。正常是一阶段的请求先执行，然后才是二阶段的请求。出现空回滚的原因，是网络丢包导致的，调用 Try 方法时 RPC timeout 了，分布式事务回滚，触发 Cancel 调用；参与者未收到 Try 请求而收到了 Cancel 请求，出现空回滚。
我们在设计参与者时，要支持这种空回滚。
- 防悬挂
悬挂的定义是 Cancel 比 Try 先执行。不同于空回滚，空回滚是 Try 方法的请求没有收到。悬挂是 Try 请求到达了，只不过由于网络拥堵，Try 的请求晚于二阶段的 Cancel 方法。
整个流程是这样的：
- 调用 TCC 服务 Try 方法，网络拥堵（未丢包），RPC超时；
- 分布式事务回滚；
- TCC 服务 Cancel 被调用，执行了空回滚；整个分布式事务结束；
- 被拥堵的 Try 请求到达 TCC 服务，并被执行；出现了二阶段 Cancel 请求比一阶段 Try 请求先执行的情况，TCC 参与者悬挂；
解决悬挂的问题，可以跟踪事务的执行，如果已经回滚过了，一阶段不应该正常执行，这时候要拒绝 Try 的执行。
FMT 模式在蚂蚁金服内的使用
接下来我们来看一下 FMT（Framework-Managerment-Transaction）框架管理事务模式。
之前介绍几个事务模式的时候，说过 TCC 模式虽然灵活，功能强大，能做很多定制和优化，但是使用难度上比较大，业务系统要进行二阶段改造，编码工作非常多。
针对那些对性能要求并不高，业务体量并不大的中小业务，我们推出了 FMT 模式——框架管理事务，从名字上看，就是大部分工作由框架自动完成，业务只需要关注实现自己的业务 SQL 即可。
FMT 还是基于二阶段的模型，业务只需要关注一阶段实现自己的业务 SQL，二阶段的自动提交回滚由框架来完成。
框架托管的二阶段，需要基于对一阶段的分析。在一阶段中，会执行下面几个步骤：对 SQL 进行解析，提取表的元数据，保存 SQL 执行前的值，执行 SQL，保存执行后的快照，保存行锁。
下面看下每个阶段具体做的事：
查询操作不涉及事务，我们这里以一个更新操作为例，首先要对操作的 SQL 进行语法语义分析，提取出关于这条记录的全部信息，包括是属于哪张表、查询条件是什么、有哪些字段、这些记录的主键等，这些信息可以通过 JDBC MetaData api 就能拿到。
然后我们开始保存执行前的快照数据，把目标记录的所有字段的当前值存到 undo log 里，存完后真正执行 SQL，SQL 执行后原来的一些字段值就已经产生变化了，我们把新的快照数据存到 redo log 里。最后把表名称和记录主键值存到行锁表，代表当前这个事务正在操作的是哪些记录。
有了这些信息后，框架就完全能自己去执行二阶段操作了。比如，当事务需要进行二阶段提交，因为在一阶段里业务SQL 已经执行了，二阶段只需要把产生的中间数据删掉即可。当二阶段回滚时，因为我们保存了 SQL 执行的快照数据，所以还原回执行前的快照数据即可，同时把中间数据删掉。
这里我们知道了 undo 和 redo log 的作用，接下来讲讲行锁。行锁是用来进行并发控制的。当一个事务在操作一条记录前，会先去行锁表里查下有没有这条记录的锁信息，如果有，说明当前已经有一个事务抢占了，需要等待那个事务把锁释放。图中，事务 1 在一阶段对记录上锁，这个时候事务 2 进来，只能等待，等事务 1 二阶段提交，把锁释放，事务 2 这时候才能加锁成功。
极致性能优化
最后，我们看看在蚂蚁金服内部，针对双十一、双十二这种大促，为了达到更好的性能状态，做的一些优化。
二阶段异步化
一个是二阶段异步化，因为一阶段的结果已经能决定整个事务的状态了，而且资源也都预留好了，剩下的二阶段可以等请求峰值过后再去执行。这样，分布式事务耗时由执行 try + confirm 或者 try + cancel 缩减成 try，提高了吞吐量。虽然结果有延迟的，但最终结果无任何影响。
异步的二阶段方法，在请求洪峰过后，会由事务恢复服务捞起执行。
同库模式
另一个优化，在事务记录上。分布式事务在推进过程中，会记录事务日志，如果这个事务日志是放到 Server 这边的，发起方更新事务状态时，需要跨 RPC 调用到Server方那边，影响分布式事务的性能。如果将事务日志存在业务数据库，则每次记录状态的就是业务本地执行的，减少 RPC 调用次数，从而提升了性能。
总结
以上就是本期分享的全部内容，我们先从事务产生的背景入手，在现在分布式架构的体系结构下，跨服务协同调用是常态，而网络、数据库、机器等都具有不可靠性，如果保证这中间操作要么全部成功，要么全部失败，是大家面临的共同问题，特别是金融场景下，对解决这个问题更有迫切性，蚂蚁金服作为一家金融科技公司，在这方面也进行了探索，积累了很多经验。
在介绍蚂蚁金服的分布式事务中间件之前，先介绍了一些分布式事务的理论背景，包括两阶段协议和 TCC 协议。基于理论背景，重点介绍了蚂蚁金服在分布式事务上的 TCC、FMT 模式的应用，分享了实现原理和设计规范以及 TCC 二阶段设计等。最后介绍了针对双十一双十二这种大促活动，如何进行二阶段异步化和同库模式的优化，来支撑零点峰值时的洪峰请求。
以上就是本期分享的全部内容，如果大家对蚂蚁金服在分布式事务中的实践以及 Seata 有问题跟兴趣，也可以在群内与我们交流。
