三问Spring事务：解决什么问题？如何解决？存在什么问题？

Posted 2020-12-20

1. 解决什么问题

让我们先从事务说起，“什么是事务？我们为什么需要事务？”。事务是一组无法被分割的操作，要么所有操作全部成功，要么全部失败。我们在开发中需要通过事务将一些操作组成一个单元，来保证程序逻辑上的正确性，例如全部插入成功，或者回滚，一条都不插入。作为程序员的我们，对于事务管理，所需要做的便是进行事务的界定，即通过类似begin transaction和end transaction的操作来界定事务的开始和结束。

下面是一个基本的JDBC事务管理代码：

// 开启数据库连接
Connection con = openConnection();
try {
    // 关闭自动提交
    con.setAutoCommit(false);
    // 业务处理
    // ...  
    // 提交事务
    con.commit();
} catch (SQLException | MyException e) {
    // 捕获异常，回滚事务
    try {
        con.rollback();
    } catch (SQLException ex) {
        ex.printStackTrace();
    }
} finally {
    // 关闭连接
    try {
        con.setAutoCommit(true);
        con.close();
    } catch (SQLException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

直接使用JDBC进行事务管理的代码直观上来看，存在两个问题：

1. 业务处理代码与事务管理代码混杂；
2. 大量的异常处理代码（在catch中还要try-catch）。

而如果我们需要更换其他数据访问技术，例如Hibernate、MyBatis、JPA等，虽然事务管理的操作都类似，但API却不同，则需使用相应的API来改写。这也会引来第三个问题：

1. 繁杂的事务管理API。

上文列出了三个待解决的问题，下面我们看Spring事务是如何解决。

2. 如何解决

2.1 繁杂的事务管理API

针对该问题，我们很容易可以想到，在众多事务管理的API上抽象一层。通过定义接口屏蔽具体实现，再使用策略模式来决定具体的API。下面我们看下Spring事务中定义的抽象接口。
在Spring事务中，核心接口是PlatformTransactionManager，也叫事务管理器，其定义如下：

public interface PlatformTransactionManager extends TransactionManager {
    // 获取事务（新的事务或者已经存在的事务）
    TransactionStatus getTransaction(@Nullable TransactionDefinition definition)
   throws TransactionException;   
    // 提交事务
    void commit(TransactionStatus status) throws TransactionException;
    // 回滚事务
    void rollback(TransactionStatus status) throws TransactionException;
}

getTransaction通过入参TransactionDefinition来获得TransactionStatus，即通过定义的事务元信息来创建相应的事务对象。在TransactionDefinition中会包含事务的元信息：

• PropagationBehavior：传播行为；
• IsolationLevel：隔离级别；
• Timeout：超时时间；
• ReadOnly：是否只读。

根据TransactionDefinition获得的TransactionStatus中会封装事务对象，并提供了操作事务和查看事务状态的方法，例如：

• setRollbackOnly：标记事务为Rollback-only，以使其回滚；
• isRollbackOnly：查看是否被标记为Rollback-only；
• isCompleted：查看事务是否已完成（提交或回滚完成）。

还支持嵌套事务的相关方法：

• createSavepoint：创建savepoint；
• rollbackToSavepoint：回滚到指定savepoint；
• releaseSavePoint：释放savepoint。

TransactionStatus事务对象可被传入到commit方法或rollback方法中，完成事务的提交或回滚。

下面我们通过一个具体实现来理解TransactionStatus的作用。以commit方法为例，如何通过TransactionStatus完成事务的提交。AbstractPlatformTransactionManager是PlatformTransactionManager接口的的实现，作为模板类，其commit实现如下：

public final void commit(TransactionStatus status) throws TransactionException {
    // 1.检查事务是否已完成
    if (status.isCompleted()) {
        throw new IllegalTransactionStateException(
            "Transaction is already completed - do not call commit or rollback more than once per transaction");
    }

    // 2.检查事务是否需要回滚（局部事务回滚）
    DefaultTransactionStatus defStatus = (DefaultTransactionStatus) status;
    if (defStatus.isLocalRollbackOnly()) {
        if (defStatus.isDebug()) {
            logger.debug("Transactional code has requested rollback");
        }
        proce***ollback(defStatus, false);
        return;
    }

    // 3.检查事务是否需要回滚（全局事务回滚）
    if (!shouldCommitOnGlobalRollbackOnly() && defStatus.isGlobalRollbackOnly()) {
        if (defStatus.isDebug()) {
            logger.debug("Global transaction is marked as rollback-only but transactional code requested commit");
        }
        proce***ollback(defStatus, true);
        return;
    }

    // 4.提交事务
    processCommit(defStatus);
}

在commit模板方法中定义了事务提交的基本逻辑，通过查看status的事务状态来决定抛出异常还是回滚，或是提交。其中的proce***ollback和processCommit方法也是模板方法，进一步定义了回滚、提交的逻辑。以processCommit方法为例，具体的提交操作将由抽象方法doCommit完成。

protected abstract void doCommit(DefaultTransactionStatus status) throws TransactionException;

doCommit的实现取决于具体的数据访问技术。我们看下JDBC相应的具体实现类DataSourceTransactionManager中的doCommit实现。

protected void doCommit(DefaultTransactionStatus status) {
    // 获取status中的事务对象    
    DataSourceTransactionObject txObject = (DataSourceTransactionObject) status.getTransaction();
    // 通过事务对象获得数据库连接对象
    Connection con = txObject.getConnectionHolder().getConnection();
    if (status.isDebug()) {
        logger.debug("Committing JDBC transaction on Connection [" + con + "]");
    }
    try {
        // 执行commit
        con.commit();
    }
    catch (SQLException ex) {
        throw new TransactionSystemException("Could not commit JDBC transaction", ex);
    }
}

在commit和processCommit方法中我们根据入参的TransactionStatus提供的事务状态来决定事务行为，而在doCommit中需要执行事务提交时将会通过TransactionStatus中的事务对象来获得数据库连接对象，再执行最后的commit操作。通过这个示例我们可以理解TransactionStatus所提供的事务状态和事务对象的作用。

下面是用Spring事务API改写后的事务管理代码：

// 获得事务管理器
PlatformTransactionManager txManager = getPlatformTransactionManager();
DefaultTransactionDefinition def = new DefaultTransactionDefinition();
// 指定事务元信息
def.setName("SomeTxName");
def.setPropagationBehavior(TransactionDefinition.PROPAGATION_REQUIRED);
// 获得事务
TransactionStatus status = txManager.getTransaction(def);
try {
    // 业务处理
}
catch (MyException ex) {
    // 捕获异常，回滚事务
    txManager.rollback(status);
    throw ex;
}
// 提交事务
txManager.commit(status);

无论是使用JDBC、Hibernate还是MyBatis，我们只需要传给txManager相应的具体实现就可以在多种数据访问技术中切换。

小结：Spring事务通过PlatformTransactionManager、TransactionDefinition和TransactionStatus接口统一事务管理API，并结合策略模式和模板方法决定具体实现。

Spring事务API代码还有个特点有没有发现，SQLException不见了。下面来看Spring事务是如何解决大量的异常处理代码。

2.2 大量的异常处理代码

为什么使用JDBC的代码中会需要写这么多的异常处理代码。这是因为Connection的每个方法都会抛出SQLException，而SQLException又是检查异常，这就强制我们在使用其方法时必须进行异常处理。那Spring事务是如何解决该问题的。我们看下doCommit方法：

protected void doCommit(DefaultTransactionStatus status) {
    DataSourceTransactionObject txObject = (DataSourceTransactionObject) status.getTransaction();
    Connection con = txObject.getConnectionHolder().getConnection();
    if (status.isDebug()) {
        logger.debug("Committing JDBC transaction on Connection [" + con + "]");
    }
    try {
        con.commit();
    }
    catch (SQLException ex) {
        // 异常转换
        throw new TransactionSystemException("Could not commit JDBC transaction", ex);
    }
}

Connection的commit方法会抛出检查异常SQLException，在catch代码块中SQLException将被转换成TransactionSystemException抛出，而TransactionSystemException是一个非检查异常。通过将检查异常转换成非检查异常，让我们能够自行决定是否捕获异常，不强制进行异常处理。

Spring事务中几乎为数据库的所有错误都定义了相应的异常，统一了JDBC、Hibernate、MyBatis等不同异常API。这有助于我们在处理异常时使用统一的异常API接口，无需关心具体的数据访问技术。

小结：Spring事务通过异常转换避免强制异常处理。

2.3 业务处理代码与事务管理代码混杂

在2.1节中给出了使用Spring事务API的写法，即编程式事务管理，但仍未解决“业务处理代码与事务管理代码混杂”的问题。这时候就可以利用Spring AOP将事务管理代码这一横切关注点从代码中剥离出来，即声明式事务管理。以注解方式为例，通过为方法标注@Transaction注解，将为该方法提供事务管理。其原理如下图所示：

声明式事务原理

Spring事务会为@Transaction标注的方法的类生成AOP增强的动态代理类对象，并且在调用目标方法的拦截链中加入TransactionInterceptor进行环绕增加，实现事务管理。

下面我们看下TransactionInterceptor中的具体实现，其invoke方法中将调用invokeWithinTransaction方法进行事务管理，如下所示：

protected Object invokeWithinTransaction(Method method, Class<?> targetClass, final InvocationCallback invocation)
        throws Throwable {

    // 查询目标方法事务属性、确定事务管理器、构造连接点标识（用于确认事务名称）
    final TransactionAttribute txAttr = getTransactionAttributeSource().getTransactionAttribute(method, targetClass);
    final PlatformTransactionManager tm = determineTransactionManager(txAttr);
    final String joinpointIdentification = methodIdentification(method, targetClass, txAttr);

    if (txAttr == null || !(tm instanceof CallbackPreferringPlatformTransactionManager)) {
        // 创建事务
        TransactionInfo txInfo = createTransactionIfNecessary(tm, txAttr, joinpointIdentification);
        Object retVal = null;
        try {
            // 通过回调执行目标方法
            retVal = invocation.proceedWithInvocation();
        }
        catch (Throwable ex) {
            // 目标方法执行抛出异常，根据异常类型执行事务提交或者回滚操作
            completeTransactionAfterThrowing(txInfo, ex);
            throw ex;
        }
        finally {
            // 清理当前线程事务信息
            cleanupTransactionInfo(txInfo);
        }
        // 目标方法执行成功，提交事务
        commitTransactionAfterReturning(txInfo);
        return retVal;
    } else {
        // 带回调的事务执行处理，一般用于编程式事务
        // ...
    }
}

在调用目标方法前后加入了创建事务、处理异常、提交事务等操作。这让我们不必编写事务管理代码，只需通过@Transaction的属性指定事务相关元信息。

小结：Spring事务通过AOP提供声明式事务将业务处理代码和事务管理代码分离。

3. 存在什么问题

Spring事务为了我们解决了第一节中列出的三个问题，但同时也会带来些新的问题。

3.1 非public方法失效

@Transactional只有标注在public级别的方法上才能生效，对于非public方法将不会生效。这是由于Spring AOP不支持对private、protect方法进行拦截。从原理上来说，动态代理是通过接口实现，所以自然不能支持private和protect方法的。而CGLIB是通过继承实现，其实是可以支持protect方法的拦截的，但Spring AOP中并不支持这样使用，笔者猜测做此限制是出于代理方法应是public的考虑，以及为了保持CGLIB和动态代理的一致。如果需要对protect或private方法拦截则建议使用AspectJ。

3.2 自调用失效
当通过在Bean的内部方法直接调用带有@Transactional的方法时，@Transactional将失效，例如：

public void saveAB(A a, B b)
{
    saveA(a);
    saveB(b);
}

@Transactional
public void saveA(A a)
{
    dao.saveA(a);
}

@Transactional
public void saveB(B b)
{
    dao.saveB(b);
}

在saveAB中调用saveA和saveB方法，两者的@Transactional都将失效。这是因为Spring事务的实现基于代理类，当在内部直接调用方法时，将不会经过代理对象，而是直接调用目标对象的方法，无法被TransactionInterceptor拦截处理。解决办法：

（1）ApplicationContextAware

通过ApplicationContextAware注入的上下文获得代理对象。

public void saveAB(A a, B b)
{
    Test self = (Test) applicationContext.getBean("Test");
    self.saveA(a);
    self.saveB(b);
}

（2）AopContext

通过AopContext获得代理对象。

public void saveAB(A a, B b)
{
    Test self = (Test)AopContext.currentProxy();
    self.saveA(a);
    self.saveB(b);
}

（3）@Autowired

通过@Autowired注解注入代理对象。

@Component
public class Test {

    @Autowired
    Test self;

    public void saveAB(A a, B b)
    {
        self.saveA(a);
        self.saveB(b);
    }
    // ...
}

（4）拆分

将saveA、saveB方法拆分到另一个类中。

public void saveAB(A a, B b)
{
    txOperate.saveA(a);
    txOperate.saveB(b);
}

上述两个问题都是由于Spring事务的实现方式的限制导致的问题。下面再看两个由于使用不当容易犯错的两个问题。

3.3 检查异常默认不回滚

在默认情况下，抛出非检查异常会触发回滚，而检查异常不会。
根据invokeWithinTransaction方法，我们可以知道异常处理逻辑在completeTransactionAfterThrowing方法中，其实现如下：

protected void completeTransactionAfterThrowing(@Nullable TransactionInfo txInfo, Throwable ex) {
    if (txInfo != null && txInfo.getTransactionStatus() != null) {
        if (logger.isTraceEnabled()) {
            logger.trace("Completing transaction for [" + txInfo.getJoinpointIdentification() +
                         "] after exception: " + ex);
        }
        if (txInfo.transactionAttribute != null && txInfo.transactionAttribute.rollbackOn(ex)) {
            try {
                // 异常类型为回滚异常，执行事务回滚
                txInfo.getTransactionManager().rollback(txInfo.getTransactionStatus());
            }
            catch (TransactionSystemException ex2) {
                logger.error("Application exception overridden by rollback exception", ex);
                ex2.initApplicationException(ex);
                throw ex2;
            }
            catch (RuntimeException | Error ex2) {
                logger.error("Application exception overridden by rollback exception", ex);
                throw ex2;
            }
        }
        else {
            try {
                // 异常类型为非回滚异常，仍然执行事务提交
                txInfo.getTransactionManager().commit(txInfo.getTransactionStatus());
            }
            catch (TransactionSystemException ex2) {
                logger.error("Application exception overridden by commit exception", ex);
                ex2.initApplicationException(ex);
                throw ex2;
            }
            catch (RuntimeException | Error ex2) {
                logger.error("Application exception overridden by commit exception", ex);
                throw ex2;
            }
        }
    }
}

根据rollbackOn判断异常是否为回滚异常。只有RuntimeException和Error的实例，即非检查异常，或者在@Transaction中通过rollbackFor属性指定的回滚异常类型，才会回滚事务。否则将继续提交事务。所以如果需要对非检查异常进行回滚，需要记得指定rollbackFor属性，不然将回滚失效。

3.4 catch异常无法回滚

在3.3节中我们说到只有抛出非检查异常或是rollbackFor中指定的异常才能触发回滚。如果我们把异常catch住，而且没抛出，则会导致无法触发回滚，这也是开发中常犯的错误。例如：

@Transactional
public void insert(List<User> users) {
    try {
        JdbcTemplate jdbcTemplate = new JdbcTemplate(dataSource);
        for (User user : users) {
            String insertUserSql = "insert into User (id, name) values (?,?)";
            jdbcTemplate.update(insertUserSql, new Object[] { user.getId(),
                                                             user.getName() });
        }
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

这里由于catch住了所有Exception，并且没抛出。当插入发生异常时，将不会触发回滚。
但同时我们也可以利用这种机制，用try-catch包裹不用参与事务的数据操作，例如对于写入一些不重要的日志，我们可将其用try-catch包裹，避免抛出异常，则能避免写日志失败而影响事务的提交。

参考

Spring Framework Documentation——Data Access: https://docs.spring.io/spring/docs/current/spring-framework-reference/data-access.html
《Spring揭秘》
5-common-spring-transactional-pitfalls: https://codete.com/blog/5-common-spring-transactional-pitfalls/
Spring事务原理一探: https://zhuanlan.zhihu.com/p/54067384