Seata是什么？一文了解其实现原理

一、背景

随着业务发展，单体系统逐渐无法满足业务的需求，分布式架构逐渐成为大型互联网平台首选。伴随而来的问题是，本地事务方案已经无法满足，分布式事务相关规范和框架应运而生。

在这种情况下，大型厂商根据分布式事务实现规范，实现了不同的分布式框架，以简化业务开发者处理分布式事务相关工作，让开发者专注于核心业务开发。

Seata就是这么一个分布式事务处理框架，Seata是由阿里开源，前身为Fescar，经过品牌升级变身Seata。

二、分布式事务规范

1.分布式事务相关概念

事务：一个程序执行单元，是用户定义的一组操作序列，需要满足ACID属性。

本地事务：事务由本地资源管理器管理。

分布式事务：事务的操作位于不同的节点。

分支事务：在分布式事务中，由资源管理器管理的本地事务。

全局事务：一次性操作多个资源管理器完成的事务，由一组分支事务组成。

2. 分布式事务实现规范

对于本地事务，可以借助DBMS系统来实现事务的管理，但是对于分布式事务，它就无能为力了。对于分布式事务，目前主要有2种思路：XA协议的强一致规范以及柔性事务的最终一致性规范。

2.1 XA

XA是基于2阶段提交协议设计的接口标准，实现了XA规范的资源管理器就可以参与XA全局事务。应用承担事务管理器TM工作，数据库承担资源管理器RM工作，TM生成全局事务id，控制RM的提交和回滚。

2.2 柔性事务的最终一致性

该规范主要有3种实现方式，TCC、MQ事务消息、本地消息表。（还存在其他一些不常用实现方式如Saga）。

TCC：try/confirm/cancel，在try阶段锁定资源，confirm阶段进行提交，资源锁定失败执行cancel阶段释放资源。

MQ事务消息：前提消息系统需要支持事务如RocketMQ，在本地事务执行前，发送事务消息prepare，本地事务执行成功，发送事务消息commit，实现分布式事务最终一致性。如果事务消息commit失败，RocketMQ会回查消息发送者确保消息正常提交，如果步骤5执行失败，进行重试，达到最终一致性。

本地消息表：跟MQ事务消息类似，区别在于MQ不支持事务消息，需要借助本地数据库的事务管理能力。在步骤1中将需要发送的消息和本地事务一起提交到DB，借助DB的事务管理确保消息持久化。步骤2应用通过本地消息表扫描，重试发送，确保消息可以发送成功。

三、Seata 架构

1. 系统组成

Seata有三个核心组件：

Transaction Coordinator(TC，事务协调器)
维护全局事务和分支事务的状态，驱动全局事务提交或回滚。
Transaction Manager(TM，事务管理器)
定义全局事务的范围，开始事务、提交事务、回滚事务。
Resource Manager(RM，资源管理器)：
管理分支事务上的资源，向TC注册分支事务，汇报分支事务状态，驱动分支事务的提交或回滚。

三个组件相互协作，TC 以 Server 形式独立部署，TM和RM集成在应用中启动，其整体交互如下：

2.工作模式

Seata 支持四种工作模式：

2.1 AT（Auto Transaction）

AT模式是Seata默认的工作模式。需要基于支持本地 ACID 事务的关系型数据库，Java 应用，通过 JDBC 访问数据库。

2.1.1 整体机制

该模式是XA协议的演变，XA协议是基于资源管理器实现，而AT并不是如此。AT的2个阶段分别是：

一阶段：业务数据和回滚日志记录在同一个本地事务中提交，释放本地锁和连接资源。
二阶段：提交异步化，非常快速地完成；回滚通过一阶段的回滚日志进行反向补偿。

下图中，步骤1开启全局事务；步骤2注册分支事务，这里对应着一阶段；步骤3提交或者回滚分支事务，对应着二阶段。

2.1.2 特点

优点：对代码无侵入；并发度高，本地锁在一阶段就会释放；不需要数据库对XA协议的支持。
缺点：只能用在支持ACID的关系型数据库；SQL解析还不能支持全部语法。

2.2 TCC

该模式工作分为三个阶段：prepare/commit/cancel。

2.2.1 整体机制

TM向TC申请全局事务XID，传播给各个子调用。
子调用的所在TM向TC注册分支事务，并执行本地prepare，并向TC报告执行结果。
TC根据各分支事务的执行结果确定二阶段是执行commit或rollback。

2.2.2 特点

优点：不依赖本地事务。
缺点：回滚逻辑依赖手动编码；业务侵入性较大。

2.3 Saga 模式

2.3.1 Saga 是什么？

1987年普林斯顿大学的Hector Garcia-Molina和Kenneth Salem发表了一篇Paper Sagas，讲述的是如何处理long lived transaction（长活事务）。Saga是一个长活事务可被分解成可以交错运行的子事务集合。论文见这里。

简单来说，Saga将一个长事务（T）分解成一系列Sub事务（Ti），每个Sub事务都有对应的补偿动作（Ci），用于撤销Ti事务产生的影响。Sub事务是直接提交到库，在出现异常时，逆向进行补偿。

因此Saga事务的组成有2种：

T1, T2, T3, ..., Tn
T1, T2, ..., Tj, Cj,..., C2, C1，其中0 < j < n

第一种就是正常提交的情况，第二种在提交Tj事务出现异常，开始逆向补偿的情况。

Saga模式是Seata提供的长事务解决方案。例如全局事务中涉及到外部系统，无法管理它的资源管理器，让它改造成TCC也不好实行，这时就可以采用此类方案。

2.3.2 整体机制

在Saga模式中，业务流程中每个参与者都提交本地事务，当出现某一个参与者失败则补偿前面已经成功的参与者，一阶段正向服务和二阶段补偿服务都由业务开发实现。

上图中对于多个分支事务，省略了多次出现的 2.* 步骤。对于全局事务执行过程中业务应用宕机情况，业务应用集群中对等节点会通过从TC获取相关会话，从DB加载详细信息来恢复状态机。

2.3.3 特点

优点：一阶段提交本地事务，无锁，高性能；事件驱动架构，参与者可异步执行，高吞吐；补偿服务易于实现。
缺点：不保证隔离性。

2.4 XA模式

XA是基于二阶段提交设计的接口标准。对于支持XA的资源管理器，借助Seata框架的XA模式，会使XA方案更简单易用。使用前提：需要分支数据库支持XA 事务，应用为 Java应用，且使用JDBC访问数据库。

2.4.1 整体机制

在 Seata 定义的分布式事务框架内，利用事务资源（数据库、消息服务等）对 XA 协议的支持，以 XA 协议的机制来管理分支事务的一种事务模式。

执行阶段：业务sql在XA分支中执行，由分支事务的RM管理器管理，然后执行XA prepare。
完成阶段：TM根据各个分支执行结果通过TC通知各个分支执行XA commit或者XA rollback。

2.4.2 特点

优点：继承了XA协议的优势，事务具有强一致性。
缺点：同样继承了XA协议的劣势，由于分支事务长时间开启，并发度低。

2.5 Seata 各模式对比

分布式事务方案没有银弹，根据自己的业务特性选择合适的模式。例如追求强一致性，可以选择AT和XA，存在和外部系统对接，可以选择Saga模式，不能依赖本地事务，可以采用TCC等等。结合各模式的优缺点进行选择。

四、AT 模式核心实现

鉴于Seata支持的模式较多，而其默认的模式是AT，为节省篇幅，以下围绕AT模式分析其相关的核心模块实现。

1. 事务协调器的启动

TC（事务协调器）以独立的服务启动，作为Server，维护全局事务和分支事务的状态，驱动全局事务提交或回滚。下面是TC的启动流程：

2. 事务管理器的启动

TM（事务管理器）集成在应用中启动，负责定义全局事务的范围，开始事务、提交事务、回滚事务。
TM所在应用中需要配置GlobalTransactionScannerbean，在应用启动时会进行如下初始化流程：

3. 资源管理器的启动

RM（资源管理器）集成在应用中启动，负责管理分支事务上的资源，向TC注册分支事务，汇报分支事务状态，驱动分支事务的提交或回滚。
RM所在的应用中除了需要跟TM一样配置GlobalTransactionScanner以启动RMClient，还需要配置DataSourceProxy，以实现对数据源访问代理。该数据源代理实现了sql的解析 → 生成undo-log → 业务sql和undo-log一并本地提交等操作。

4. 全局事务的工作流程

下面以一个简单的例子来说明全局事务的工作原理：

BusinessService：发起购买服务
StorageService：库存管理服务

购买操作实现在businessService.purchase中，purchase方法实现上通过GlobalTransaction注解，通过Dubbo服务，调用了库存服务deduct方法方法，样例如下：

@GlobalTransactional(timeoutMills = 300000, name = "dubbo-demo-tx")
public void purchase(String userId, String commodityCode, int orderCount) {
    storageService.deduct(commodityCode, orderCount);
    // throw new RuntimeException("xxx");
}

4.1 成功的全局事务处理流程

4.2 成功的全局事务处理流程

这里设定BusinessService在成功调用StorageService后，本地出现异常。

5. 写隔离实现

全局事务未提交，分支事务本地已经提交的情况下（假设修改了资源A），如何避免其他事务在此时修改资源A？Seata采用全局锁来实现，其流程如下：

6. 读隔离实现

在数据库本地隔离级别为读已提交或以上的基础上，Seata提供了读未提交，这个很好理解，全局事务提交前分支事务本地已经提交。如果想要实现读已提交，则需要在select语句上加for update。

五、总结

Seata是Java领域很强大的分布式事务框架，其支持了多种模式。其中默认支持的AT模式，相比于传统的2PC协议（基于数据库的XA协议），很好地解决了2PC长期锁资源的问题，提高了并发度。Seata支持的各个模式中，AT模式对业务零入侵实现分布式事务，对于开发者更加友好。另外Seata的Server在选择合适的存储介质时可以进行集群模式，减少单点故障影响。

本文主要参考官网和部分博客，同时阅读了AT模式实现源码，如果有不对的地方，望指出，一起讨论交流。

六、参考

作者：vivo官网商城开发团队