微服务架构下分布式事务解决方案——阿里云GTS

Posted 2020-10-28 kuroniko

https://blog.csdn.net/jiangyu_gts/article/details/79470240

 

 

1 微服务的发展

微服务倡导将复杂的单体应用拆分为若干个功能简单、松耦合的服务，这样可以降低开发难度、增强扩展性、便于敏捷开发。当前被越来越多的开发者推崇，很多互联网行业巨头、开源社区等都开始了微服务的讨论和实践。Hailo有160个不同服务构成，NetFlix有大约600个服务。国内方面，阿里巴巴、腾讯、360、京东、58同城等很多互联网公司都进行了微服务化实践。当前微服务的开发框架也非常多，比较著名的有Dubbo、SpringCloud、thrift 、grpc等。

2 微服务落地存在的问题

虽然微服务现在如火如荼，但对其实践其实仍处于探索阶段。很多中小型互联网公司，鉴于经验、技术实力等问题，微服务落地比较困难。如著名架构师Chris Richardson所言，目前存在的主要困难有如下几方面：

1）单体应用拆分为分布式系统后，进程间的通讯机制和故障处理措施变的更加复杂。

2）系统微服务化后，一个看似简单的功能，内部可能需要调用多个服务并操作多个数据库实现，服务调用的分布式事务问题变的非常突出。

3）微服务数量众多，其测试、部署、监控等都变的更加困难。

随着RPC框架的成熟，第一个问题已经逐渐得到解决。例如dubbo可以支持多种通讯协议，springcloud可以非常好的支持restful调用。对于第三个问题，随着docker、devops技术的发展以及各公有云paas平台自动化运维工具的推出，微服务的测试、部署与运维会变得越来越容易。

而对于第二个问题，现在还没有通用方案很好的解决微服务产生的事务问题。分布式事务已经成为微服务落地最大的阻碍，也是最具挑战性的一个技术难题。 为此，本文将深入和大家探讨微服务架构下，分布式事务的各种解决方案，并重点为大家解读阿里巴巴提出的分布式事务解决方案—-GTS。该方案中提到的GTS是全新一代解决微服务问题的分布式事务互联网中间件。

3 SOA分布式事务解决方案

3.1 基于XA协议的两阶段提交方案

交易中间件与数据库通过 XA 接口规范，使用两阶段提交来完成一个全局事务， XA 规范的基础是两阶段提交协议。 
第一阶段是表决阶段，所有参与者都将本事务能否成功的信息反馈发给协调者；第二阶段是执行阶段，协调者根据所有参与者的反馈，通知所有参与者，步调一致地在所有分支上提交或者回滚。如下图所示：

两阶段提交方案应用非常广泛，几乎所有商业OLTP数据库都支持XA协议。但是两阶段提交方案锁定资源时间长，对性能影响很大，基本不适合解决微服务事务问题。

3.2 TCC方案

TCC方案在电商、金融领域落地较多。TCC方案其实是两阶段提交的一种改进。其将整个业务逻辑的每个分支显式的分成了Try、Confirm、Cancel三个操作。Try部分完成业务的准备工作，confirm部分完成业务的提交，cancel部分完成事务的回滚。基本原理如下图所示： 

事务开始时，业务应用会向事务协调器注册启动事务。之后业务应用会调用所有服务的try接口，完成一阶段准备。之后事务协调器会根据try接口返回情况，决定调用confirm接口或者cancel接口。如果接口调用失败，会进行重试。

TCC方案让应用自己定义数据库操作的粒度，使得降低锁冲突、提高吞吐量成为可能。 当然TCC方案也有不足之处，集中表现在以下两个方面：

• 对应用的侵入性强。业务逻辑的每个分支都需要实现try、confirm、cancel三个操作，应用侵入性较强，改造成本高。
• 实现难度较大。需要按照网络状态、系统故障等不同的失败原因实现不同的回滚策略。为了满足一致性的要求，confirm和cancel接口必须实现幂等。

上述原因导致TCC方案大多被研发实力较强、有迫切需求的大公司所采用。微服务倡导服务的轻量化、易部署，而TCC方案中很多事务的处理逻辑需要应用自己编码实现，复杂且开发量大。

3.3 基于消息的最终一致性方案

消息一致性方案是通过消息中间件保证上、下游应用数据操作的一致性。基本思路是将本地操作和发送消息放在一个事务中，保证本地操作和消息发送要么两者都成功或者都失败。下游应用向消息系统订阅该消息，收到消息后执行相应操作。如下图所示：

消息方案从本质上讲是将分布式事务转换为两个本地事务，然后依靠下游业务的重试机制达到最终一致性。基于消息的最终一致性方案对应用侵入性也很高，应用需要进行大量业务改造，成本较高。

4 GTS–分布式事务解决方案

GTS是一款分布式事务中间件，由阿里巴巴中间件部门研发，可以为微服务架构中的分布式事务提供一站式解决方案。

更多GTS资料请访问研发团队微博。

4.1 GTS的核心优势

• 性能超强

  GTS通过大量创新，解决了事务ACID特性与高性能、高可用、低侵入不可兼得的问题。单事务分支的平均响应时间在2ms左右，3台服务器组成的集群可以支撑3万TPS以上的分布式事务请求。

• 应用侵入性极低

  GTS对业务低侵入，业务代码最少只需要添加一行注解（@TxcTransaction）声明事务即可。业务与事务分离，将微服务从事务中解放出来，微服务关注于业务本身，不再需要考虑反向接口、幂等、回滚策略等复杂问题，极大降低了微服务开发的难度与工作量。

• 完整解决方案

  GTS支持多种主流的服务框架，包括EDAS，Dubbo，Spring Cloud等。 
  有些情况下，应用需要调用第三方系统的接口，而第三方系统没有接入GTS。此时需要用到GTS的MT模式。GTS的MT模式可以等价于TCC模式，用户可以根据自身业务需求自定义每个事务阶段的具体行为。MT模式提供了更多的灵活性，可能性，以达到特殊场景下的自定义优化及特殊功能的实现。

• 容错能力强

  GTS解决了XA事务协调器单点问题，实现真正的高可用，可以保证各种异常情况下的严格数据一致。

4.2 GTS的应用场景

GTS可应用在涉及服务调用的多个领域，包括但不限于金融支付、电信、电子商务、快递物流、广告营销、社交、即时通信、手游、视频、物联网、车联网等，详细介绍可以阅读 《GTS–阿里巴巴分布式事务全新解决方案》一文。

4.3 GTS与微服务的集成

GTS包括客户端（GTS Client）、资源管理器（GTS RM）和事务协调器（GTS Server）三个部分。GTS Client主要用来界定事务边界，完成事务的发起与结束。GTS RM完成事务分支的创建、提交、回滚等操作。GTS Server主要负责分布式事务的整体推进，事务生命周期的管理。GTS和微服务集成的结构图如下所示，GTS Client需要和业务应用集成部署，RM与微服务集成部署。 

4.4 GTS的输出形式

GTS目前有三种输出形式：公有云输出、公网输出、专有云输出。

4.4.1 公有云输出

这种输出形式面向阿里云用户。如果用户的业务系统已经部署到阿里云上，可以申请开通公有云GTS。开通后业务应用即可通过GTS保证服务调用的一致性。这种使用场景下，业务系统和GTS间的网络环境比较理想，达到很好性能。 

4.4.2 公网输出

这种输出形式面向于非阿里云的用户，使用更加方便、灵活，业务系统只要能连接互联网即可享受GTS提供的云服务（与公有云输出的差别在于客户端部署于用户本地，而不在云上）。

在正常网络环境下，以包含两个本地事务的全局事务为例，事务完成时间在20ms左右，50个并发就可以轻松实现1000TPS以上分布式事务，对绝大多数业务来说性能是足够的。在公网环境，网络闪断很难完全避免，这种情况下GTS仍能保证服务调用的数据一致性。 

具体使用样例使用参见4.7节GTS的工程样例。

4.4.3 专有云输出

这种形式主要面向于已建设了自己专有云平台的大用户，GTS可以直接部署到用户的专有云上，为专有云提供分布式事务服务。目前已经有10多个特大型企业的专有云使用GTS解决分布式事务难题，性能与稳定性经过了用户的严格检测。

4.5 GTS的使用方式

GTS对应用的侵入性非常低，使用也很简单。下面以订单存储应用为例说明。订单业务应用通过调用订单服务和库存服务完成订单业务，服务开发框架为Dubbo。

4.5.1 订单业务应用

在业务函数外围使用@TxcTransaction注解即可开启分布式事务。Dubbo应用通过隐藏参数将GTS的事务xid传播到服务端。

@TxcTransaction(timeout = 1000 * 10)
public void Bussiness(OrderService orderService, StockService stockService, String userId) {
    //获取事务上下文
    String xid = TxcContext.getCurrentXid();
    //通过RpcContext将xid传到一个服务端
    RpcContext.getContext().setAttachment("xid", xid);

    //执行自己的业务逻辑
    int productId = new Random().nextInt(100);
    int productNum = new Random().nextInt(100);
    OrderDO orderDO = new OrderDO(userId, productId, productNum, new Timestamp(new Date().getTime()));
    orderService.createOrder(orderDO);

    //通过RpcContext将xid传到另一个服务端
    RpcContext.getContext().setAttachment("xid",xid);
    stockService.updateStock(orderDO);
}

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4.5.2 服务提供者

更新库存方法

public int updateStock(OrderDO orderDO) {
    //获取全局事务ID，并绑定到上下文
    String xid = RpcContext.getContext().getAttachment("xid");
    TxcContext.bind(xid,null);
    //执行自己的业务逻辑
    int ret = jdbcTemplate.update("update stock set amount = amount - ? where product_id = ?",new Object[]{orderDO.getNumber(), orderDO.getProductId()});
    TxcContext.unbind();
    return ret;
}

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4.6 GTS的应用情况

GTS目前已经在淘宝、天猫、阿里影业、淘票票、阿里妈妈、1688等阿里各业务系统广泛使用，经受了16年和17年两年双十一海量请求的考验。某线上业务系统最高流量已达十万TPS（每秒钟10万笔事务）。

GTS在公有云和专有云输出后，已经有了100多个线上用户，很多用户通过GTS解决SpringCloud、Dubbo、Edas等服务框架的分布式事务问题。业务领域涉及电力、物流、ETC、烟草、金融、零售、电商、共享出行等十几个行业，得到用户的一致认可。 

上图是GTS与SpringCloud集成，应用于某共享出行系统。业务共享出行场景下，通过GTS支撑物联网系统、订单系统、支付系统、运维系统、分析系统等系各统应用的数据一致性，保证海量订单和数千万流水的交易。

4.7 GTS的工程样例

GTS的公有云样例可参考阿里云网站。在公网环境下提供sample-txc-simple和sample-txc-dubbo两个样例工程。

4.7.1 sample-txc-simple样例

4.7.1.1 样例业务逻辑

该样例是GTS的入门sample，案例的业务逻辑是从A账户转账给B账户，其中A和B分别位于两个mysql数据库中，使用GTS事务保证A和B账户钱的总数始终不变。

4.7.1.2 样例搭建方法

1) 准备数据库环境

安装MySQL，创建两个数据库db1和db2。在db1和db2中分别创建txc_undo_log表（SQL脚本见4.7.3）。在db1库中创建user_money_a表，在db2库中创建user_money_b表。

2) 下载样例

将sample-txc-simple文件下载到本地，样例中已经包含了GTS的SDK。

3) 修改配置

打开sample-txc-simple/src/main/resources目录下的txc-client-context.xml，将数据源的url、username、password修改为实际值。

4) 运行样例

在sample-txc-simple目录下执行build.sh编译本工程。编译完成后执行run.sh。

4.7.2 sample-txc-dubbo 样例

4.7.2.1 样例业务逻辑

本案例模拟了用户下订单、减库存的业务逻辑。客户端（Client）通过调用订单服务（OrderService）创建订单，之后通过调用库存服务（StockService）扣库存。其中订单服务读写订单数据库，库存服务读写库存数据库。由 GTS 保证跨服务事务的一致性。

4.7.2.2 样例搭建方法

1) 准备数据库环境

安装MySQL，创建两个数据库db1和db2。在db1和db2中分别创建txc_undo_log表。在db1库中创建orders表，在db2库中创建stock表。

2) 下载样例

将样例文件sample-txc-dubbo下载到本地机器，样例中已经包含了GTS的SDK。

3) 修改配置

打开sample-txc-dubbo/src/main/resources目录，将dubbo-order-service.xml、dubbo-stock-service.xml两个文件中数据源的url、username、password修改为实际值。

4) 运行样例

a. 编译程序

在工程根目录执行 build.sh 命令，编译工程。编译后会在 sample-txc-dubbo/client/bin 目录下生成 order_run.sh、stock_run.sh、client_run.sh 三个运行脚本对应订单服务、库存服务以及客户端。

b. 运行程序

在根目录执行run.sh，该脚本会依次启动order_run.sh(订单服务)、stock_run.sh(库存服务)和client_run.sh(客户端程序)。

4.7.2.3 其他说明

样例使用Multicast注册中心的声明方式。如果本机使用无线网络，dubbo服务在绑定地址时有可能获取ipv6地址，可以通过jvm启动参数禁用。 
方法是配置jvm启动参数 -Djava.net.preferIPv4Stack=true。

4.7.3 SQL

4.7.3.1 建表 txc_undo_log

CREATE TABLE txc_undo_log (

id bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT ‘主键’,

gmt_create datetime NOT NULL COMMENT ‘创建时间’,

gmt_modified datetime NOT NULL COMMENT ‘修改时间’,

xid varchar(100) NOT NULL COMMENT ‘全局事务ID’,

branch_id bigint(20) NOT NULL COMMENT ‘分支事务ID’,

rollback_info longblob NOT NULL COMMENT ‘LOG’,

status int(11) NOT NULL COMMENT ‘状态’,

server varchar(32) NOT NULL COMMENT ‘分支所在DB IP’,

PRIMARY KEY (id),

KEY unionkey (xid,branch_id)

) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=211225994 DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT=’事务日志表’;

4.7.3.2 建表 user_money_a

CREATE TABLE user_money_a (

id int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,

money int(11) DEFAULT NULL,

PRIMARY KEY (id)

) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=2 DEFAULT CHARSET=utf8;

4.7.3.3 建表 user_money_b

CREATE TABLE user_money_b (

id int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,

money int(11) DEFAULT NULL,

PRIMARY KEY (id)

) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=2 DEFAULT CHARSET=utf8;

4.7.3.4 建表 orders

CREATE TABLE orders (

id bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,

user_id varchar(255) NOT NULL,

product_id int(11) NOT NULL,

number int(11) NOT NULL,

gmt_create timestamp NOT NULL,

PRIMARY KEY (id)

) ENGINE=MyISAM AUTO_INCREMENT=351 DEFAULT CHARSET=utf8

4.7.3.5 建表 stock

CREATE TABLE stock (

product_id int(11) NOT NULL,

price float NOT NULL,

amount int(11) NOT NULL,

PRIMARY KEY (product_id)

) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8