分布式理论(三) – 2PC协议
前言
由于BASE理论需要在一致性和可用性方面做出权衡，因此涌现了很多关于一致性的算法和协议。其中比较著名的有二阶提交协议（2 Phase Commitment Protocol），三阶提交协议（3 Phase Commitment Protocol）和Paxos算法。
本文要介绍的2PC协议，分为两个阶段提交一个事务。并通过协调者和各个参与者的配合，实现分布式一致性。
两个阶段事务提交协议，由协调者和参与者共同完成。
| 角色 | XA概念 | 作用 |
|---|---|---|
| 协调者 | 事务管理器 | 协调各个参与者，对分布式事务进行提交或回滚 |
| 参与者 | 资源管理器 | 分布式集群中的节点 |
正文
1. 分布式事务
分布式事务是指会涉及到操作多个数据库的事务，其实就是将对同一库事务的概念扩大到了对多个库的事务。目的是为了保证分布式系统中的数据一致性。
分布式事务处理的关键是：
- 需要记录事务在任何节点所做的所有动作；
- 事务进行的所有操作要么全部提交，要么全部回滚。
2. XA规范
2.1. XA规范的组成
XA规范是由 X/Open组织（即现在的 Open Group ）定义的分布式事务处理模型。 X/Open DTP 模型（ 1994 ）包括：
- 应用程序（ AP ）
- 事务管理器（ TM ）：交易中间件等
- 资源管理器（ RM ）：关系型数据库等
- 通信资源管理器（ CRM ）：消息中间件等
2.2. XA规范的定义
XA规范定义了交易中间件与数据库之间的接口规范（即接口函数），交易中间件用它来通知数据库事务的开始、结束以及提交、回滚等。而XA接口函数由数据库厂商提供。
二阶提交协议和三阶提交协议就是基于XA规范提出的其中，二阶段提交就是实现XA分布式事务的关键。
2.3. XA规范编程规范
- 配置TM，给TM注册RM作为数据源。其中，一个TM可以注册多个RM。
- AP向TM发起一个全局事务。这时，TM会发送一个XID（全局事务ID）通知各个RM。
- AP从TM获取资源管理器的代理（例如：使用JTA接口，从TM管理的上下文中，获取出这个TM所管理的RM的JDBC连接或JMS连接）。
- AP通过从TM中获取的连接，间接操作RM进行业务操作。TM在每次AP操作时把XID传递给RM，RM正是通过这个XID关联来操作和事务的关系的。
- AP结束全局事务时，TM会通知RM全局事务结束。开始二段提交，也就是prepare - commit的过程。
XA规范的流程，大致如图所示：
3. 二阶段提交（2PC）
3.1. 二阶段提交的定义
二阶段提交的算法思路可以概括为：每个参与者将操作成败通知协调者，再由协调者根据所有参与者的反馈情报，决定各参与者是否要提交操作还是中止操作。
所谓的两个阶段分别是：
- 第一阶段：准备阶段（投票阶段）
- 第二阶段：提交阶段（执行阶段）
3.1.1. 准备阶段
准备阶段分为三个步骤：
a. 事务询问
协调者向所有的参与者询问，是否准备好了执行事务，并开始等待各参与者的响应。
b. 执行事务
各参与者节点执行事务操作。如果本地事务成功，将Undo和Redo信息记入事务日志中，但不提交；否则，直接返回失败，退出执行。
c. 各参与者向协调者反馈事务询问的响应
如果参与者成功执行了事务操作，那么就反馈给协调者 Yes响应，表示事务可以执行提交；如果参与者没有成功执行事务，就返回No给协调者，表示事务不可以执行提交。
3.1.2. 提交阶段
在提交阶段中，会根据准备阶段的投票结果执行2种操作：执行事务提交，中断事务。
提交事务过程如下：
a. 发送提交请求
协调者向所有参与者发出commit请求。
b. 事务提交
参与者收到commit请求后，会正式执行事务提交操作，并在完成提交之后，释放整个事务执行期间占用的事务资源。
c. 反馈事务提交结果
参与者在完成事务提交之后，向协调者发送Ack信息。
d. 事务提交确认
协调者接收到所有参与者反馈的Ack信息后，完成事务。
中断事务过程如下：
a. 发送回滚请求
协调者向所有参与者发出Rollback请求。
b. 事务回滚
参与者接收到Rollback请求后，会利用其在提交阶段种记录的Undo信息，来执行事务回滚操作。在完成回滚之后，释放在整个事务执行期间占用的资源。
c. 反馈事务回滚结果
参与者在完成事务回滚之后，想协调者发送Ack信息。
d. 事务中断确认
协调者接收到所有参与者反馈的Ack信息后，完成事务中断。
3.1. 二阶段提交的优缺点
- 优点：原理简单，实现方便。
- 缺点：同步阻塞，单点问题，数据不一致，容错性不好。
同步阻塞
在二阶段提交的过程中，所有的节点都在等待其他节点的响应，无法进行其他操作。这种同步阻塞极大的限制了分布式系统的性能。
单点问题
协调者在整个二阶段提交过程中很重要，如果协调者在提交阶段出现问题，那么整个流程将无法运转。更重要的是，其他参与者将会处于一直锁定事务资源的状态中，而无法继续完成事务操作。
数据不一致
假设当协调者向所有的参与者发送commit请求之后，发生了局部网络异常，或者是协调者在尚未发送完所有 commit请求之前自身发生了崩溃，导致最终只有部分参与者收到了commit请求。这将导致严重的数据不一致问题。
容错性不好
如果在二阶段提交的提交询问阶段中，参与者出现故障，导致协调者始终无法获取到所有参与者的确认信息，这时协调者只能依靠其自身的超时机制，判断是否需要中断事务。显然，这种策略过于保守。换句话说，二阶段提交协议没有设计较为完善的容错机制，任意一个节点是失败都会导致整个事务的失败。
小结
对于2PC协议存在的同步阻塞、单点问题，将在下一篇文章的3PC协议中引入解决方案。
相关链接
- 分布式理论(一) - CAP定理
- 分布式理论(二) - BASE理论
- 分布式理论(三) - 2PC协议
- 分布式理论(四) - 3PC协议
- 分布式理论(五) - 一致性算法Paxos
- 分布式理论(六) - 一致性协议Raft
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