分布式事务-02:2PC 二阶段提交协议实现过程及原理

Posted 2021-04-25 java4all

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摘要：本文主要讲解分布式事务中二阶段提交协议（2pc）相关基础概念，原理及详细的执行过程。

1.理论基础

二阶段提交(Two-phaseCommit)是在计算机网络以及数据库领域内，为了使分布式系统架构下的所有节点在进行事务提交时保持一致性而设计的一种算法。

在分布式系统中，每个节点虽然可以知晓自己的操作是成功或者失败，却无法知道其他节点操作的成功或失败。当一个事务跨越多个节点时，为了保持事务的一致性，需要引入一个作为协调者的组件来统一掌控所有节点(称作参与者)的操作结果并最终指示这些节点是否要把操作结果进行真正的提交(比如将更新后的数据写入磁盘等等)。

因此，二阶段提交的算法思路可以概括为：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况决定各参与者是要提交操作还是中止操作。

两个阶段是指：

• 第一阶段：准备阶段(投票阶段voting phase)

• 第二阶段：提交阶段(执行阶段commit phase)

2.pc实现

2.1准备阶段

事务协调者(事务管理器)给每个参与者(资源管理器)发送Prepare消息，每个参与者要么直接返回失败(如权限验证失败)，要么在本地执行事务，写本地的redo和undo日志，但不提交。 

这个准备阶段又可以细分为三个步骤：

1.协调者节点向所有参与者节点询问是否可以执行提交操作(vote)，并开始等待各参与者节点的响应。 

2.参与者节点执行询问发起为止的所有事务操作，并将Undo信息和Redo信息写入日志。（注意理解这个点：若成功这里其实每个参与者已经执行了事务操作，只是执行完事务操作，并没有进行commit或者roolback ）。

3.各参与者节点响应协调者节点发起的询问。如果参与者节点的事务操作实际执行成功，则它返回一个"同意"消息；如果参与者节点的事务操作实际执行失败，则它返回一个"中止"消息。 

准备阶段如下：

2.2提交阶段

如果协调者收到了参与者的失败消息或者超时，直接给每个参与者发送回滚(Rollback)消息；否则，发送提交(Commit)消息；

参与者根据协调者的指令执行提交或者回滚操作，释放所有事务处理过程中使用的锁资源。(注意:必须在最后阶段释放锁资源) 

在提交阶段，又分为2种情况：

1.当协调者节点从所有参与者节点获取的都是“同意”时：

1）协调者节点向所有参与者节点发出"正式提交(commit)"的请求。

2）参与者节点正式完成commit操作，并释放在整个事务期间内占用的资源。

3）参与者节点向协调者节点发送"完成"消息。

4）协调者节点收到所有参与者节点反馈的"完成"消息后，完成事务。

2.当协调者节点在第一阶段中收到的反馈有“终止”，或者协调者节点在询问超时之前没有获取到所有参与者节点的“同意”时：

1）协调者节点向所有参与者节点发出"回滚操作(rollback)"的请求。

2）参与者节点利用之前写入的Undo信息执行回滚，并释放在整个事务期间内占用的资源。

3）参与者节点向协调者节点发送"回滚完成"消息。

4）协调者节点受到所有参与者节点反馈的"回滚完成"消息后，取消事务。

不管最后结果如何，第二阶段都会结束当前事务。 

当第一阶段的反馈结果不全是“同意”，执行流程如下:

3.2pc优缺点

3.1同步阻塞问题

执行过程中，所有参与节点都是事务阻塞型的。当参与者占有公共资源时，其他第三方节点访问公共资源不得不处于阻塞状态,效率低下。

3.2单点故障

由于协调者的重要性，一旦协调者发生故障。参与者会一直阻塞下去。尤其在第二阶段，协调者发生故障，那么所有的参与者还都处于锁定事务资源的状态中，而无法继续完成事务操作。（如果是协调者挂掉，可以重新选举一个协调者，但是无法解决因为协调者宕机导致的参与者处于阻塞状态的问题） 

3.3数据不一致

在二阶段提交的阶段二中，当协调者向参与者发送commit请求之后，发生了局部网络异常或者在发送commit请求过程中协调者发生了故障，这会导致只有一部分参与者接受到了commit请求。而在这部分参与者接到commit请求之后就会执行commit操作，但是其他部分未接到commit请求的机器则无法执行事务提交。于是整个分布式系统便出现了数据不一致性的现象。 

3.4不确定性

协调者再发出commit消息之后宕机，而唯一接收到这条消息的参与者同时也宕机了。那么即使协调者通过选举协议产生了新的协调者，这条事务的状态也是不确定的，没人知道事务是否被已经提交。

 

由于二阶段提交存在着上述同步阻塞、单点问题、脑裂等缺陷，所以，研究者们在二阶段提交的基础上做了改进，提出了三阶段提交。 

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