分布式事务 GTS 的价值和原理浅析

Posted 2021-04-25 架构师社区

来自：阿里巴巴中间件

GTS 今年双 11 的成绩

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今年 2684 亿的背后，有一个默默支撑，低调到几乎被遗忘的中间件云产品——GTS（全局事务服务，Global Transaction Service），稳稳地通过了自 2014 年诞生以来的第 5 次“大考”。

2019 年 11 月 1 日至 12 日，GTS 日均处理分布式事务数量达 亿级 ，每天峰值 TPS 达 万级 。

这背后最重要意义在于：成绩是在给业务应用的设计和开发带来 0 负担 的前提下得到的。

GTS 带来的价值

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随着企业的发展，企业业务架构面临数据、服务的分布化，几乎无可避免地要遇到分布式架构带来的数据一致性问题。

GTS 开创性地把分布式事务问题从业务中剥离出来，作为一个独立的技术切面来单独管理，以服务的形式给构建在云上的应用提供简单、易用、高效的分布式事务解决方案。

GTS 给业务应用带来的价值体现在以下几个方面：

• 架构复杂度降低：分布式事务这个 切面 的技术问题，全部 收敛 到 GTS 提供的服务来解决。

• 设计和开发成本减轻：业务逻辑的设计和开发，完全不需要针对是否涉及分布式事务而做任何额外的事情，对业务 0 侵入 。

• 项目交付、迭代速度加快：归因于上述两点，项目得以很快交付和迭代。GTS 赋予业务应用 快速试错 的能力，在这个商业机会瞬息万变的时代，显得尤为重要。

设想一个典型的云原生企业应用的成长路径：

• 1.0：单体应用，快速上线，这个时候完全不涉及分布式事务。

• 2.0：单个数据库无法支撑，数据分布到多个数据库，产生分布式事务问题。

• 3.0：微服务化，进一步产生跨服务的分布式事务。

• 4.0：跨应用的整合，成为 SaaS 或 FaaS 的平台，在更大的范围，产生分布式事务问题。

基于 GTS 提供的分布式事务服务，企业发展各阶段产生的不同场景下的数据一致性问题，可以得到一站式的解决。这使得业务可以平滑自然地，像搭积木一样成长起来。

从上面示例可以看到：GTS 实际上是把分布式事务（或者说分布式场景下的数据一致性）能力，作为一种 云原生 的服务，提供给生长在云上的应用，让分布式事务不再成为业务要面临的一个令人头疼的问题，而成为一种可以弹性伸缩，按需取用的服务能力。

GTS 的原理和创新

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下面，从几个方面来大体介绍 GTS 的原理和创新。

首先，GTS 把分布式事务定义为由若干本地事务（分支）组成的全局事务。被全局事务管理的全部分支，将在协调器的协调下，保证一起成功或一起回滚。

其次，GTS 定义了一个事务模型，把整个全局事务过程模型化为 TM、RM、TC 三个组件之间协作的机制。

• Transaction Coordinator (TC)：事务协调器，维护全局事务的运行状态，负责协调并驱动全局事务的提交或回滚。

• Transaction Manager (TM)：控制全局事务的边界，负责开启一个全局事务，并最终发起全局提交或全局回滚的决议。

• Resource Manager (RM)：控制分支事务，负责分支注册、状态汇报，并接收事务协调器的指令，驱动分支（本地）事务的提交和回滚。

一个典型的分布式事务过程：

1. TM 向 TC 申请开启一个全局事务，全局事务创建成功并生成一个全局唯一的 XID。

2. XID 在微服务调用链路的上下文中传播。

3. RM 向 TC 注册分支事务，将其纳入 XID 对应全局事务的管辖。

4. TM 向 TC 发起针对 XID 的全局提交或回滚决议。

5. TC 调度 XID 下管辖的全部分支事务完成提交或回滚请求。

第三，GTS 创新地基于 SQL 解析实现对业务无侵入的自动补偿回滚机制。这种机制，GTS 将其命名为 Auto Transaction (AT) 模式。基本工作原理如下：

GTS 把全局事务分为两个阶段：执行阶段 和 完成阶段 。

执行阶段：

GTS 的 JDBC 数据源代理通过对业务 SQL 的解析，把业务数据在更新前后的数据镜像组织成回滚日志，利用 本地事务 的 ACID 特性，将业务数据的更新和回滚日志的写入在同一个 本地事务 中提交。

这样，可以保证：任何提交的业务数据的更新一定有相应的回滚日志存在。

基于这样的机制，分支的本地事务便可以在全局事务的 执行阶段 提交，马上释放本地事务锁定的资源。

完成阶段：

• 如果 TM 发出的决议是全局提交，此时分支事务此时已经完成提交，不需要同步协调处理（只需要异步清理回滚日志），完成阶段 可以非常快速地完成。

• 如果 TM 发出的决议是全局回滚，RM 收到协调器发来的回滚请求，通过 XID 和 Branch ID 找到相应的回滚日志记录，通过回滚记录生成反向的更新 SQL 并执行，以完成分支的回滚。

最后，GTS 通过事务协调器集群以及对业务应用节点的容错，实现一个拒绝单点故障的高可用服务。

一方面，GTS 服务集群机制，保障任意服务节点宕机，可以其他节点无缝接管。
另一方面，应用任意节点的宕机，相应事务分支的请求也会路由到连接相同数据库的其他节点上，不影响全局事务的完整执行。

GTS 的事务模式

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截止目前，还没有任何一种分布式事务的技术方案，可以满足所有场景的问题。GTS 的 AT 模式适用于绝大部分常见场景，但仍有一些场景更适合于使用业界其他的分布式事务解决方案。

当前分布式应用层面，最具代表性的事务模式有 4 种，分别是 AT、TCC、Saga 和 XA，这些模式各有优缺点和适用的场景。

AT 模式

优势：业务无侵入；轻量，不依赖数据库的高级特性；回滚较少的场景性能高。
劣势：隔离性不高，目前只能支持到接近 读已提交 的程度，更高的隔离级别，实现成本将非常高。

TCC 模式

优势：适用场景广泛；隔离性和性能都可以做极致优化。
劣势：业务侵入性非常高。

Saga 模式

优势：适用于长事务场景。
劣势：有一定业务侵入性；隔离性差。

XA 模式

优势：业务无侵入；隔离性好。
劣势：较重的依赖；阻塞协议。

上述事务模式，AT 和 TCC 已经在 GTS 中提供了支持（TCC 模式在 GTS 中当前的名字是 MT），Saga 和 XA 也在研发过程中。

GTS 会把各类解决方案融合到 GTS 提供的云服务框架中，为云原生应用提供一站式的分布式事务服务。

GTS 与开源

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为了更好地构建一个云原生的分布式事务标准，2019 年初，GTS 选择了开源，发起了开源项目 Seata（曾用名 Fescar）。项目开源不到 1 年时间，收获 STAR 数已经突破 1.2 万，Contributor 超过 120 名，获得社区的广泛关注和认可。

 Seata：https://github.com/seata/seata

分布式事务一直以来都可以称得上是世界性难题，希望可以通过 SEATA 这个开放的平台，聚集全世界的智慧来给这道难题交上一份让人满意的答卷。

进一步，GTS 将这份答卷转化为阿里云上高效、稳定、可靠的服务，赋能给广大云原生开发者。

总结

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GTS 自从 2014 年诞生于阿里巴巴中间件的 5 年来，从支撑集团内第一个业务方开始，经历了从内部到云产品化，从封闭到开源，从单一模式到兼容并蓄和标准化，一直坚定地走在分布式事务领域的最前沿。

GTS 的目标是成为云原生时代，分布式事务的全面解决方案。任何分布式事务需求，在 GTS 上都能找到满意的答案。

作者信息：

煊檍，GitHub ID：sharajava，阿里巴巴中件间 GTS 研发团队负责人，SEATA 开源项目发起人，曾在 Oracle 北京研发中心多年，从事 WebLogic 核心研发工作。长期专注于中间件，尤其是分布式事务领域的技术实践。

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