關於分布式事務、兩階段提交協議、三階提交協議
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隨著大型網站的各種高並發訪問、海量數據處理等場景越來越多，如何實現網站的高可用、易伸縮、可擴展、安全等目標就顯得越來越重要。
為了解決這樣一系列問題，大型網站的架構也在不斷發展。提高大型網站的高可用架構，不得不提的就是分布式。在《分布式系統的一致性探討》一文中主要介紹了分布式系統中存在的一致性問題。本文將簡單介紹如何有效的解決分布式的一致性問題，其中包括什麽是分布式事務，二階段提交和三階段提交。
分布式一致性回顧
在分布式系統中，為了保證數據的高可用，通常，我們會將數據保留多個副本(replica)，這些副本會放置在不同的物理的機器上。為了對用戶提供正確的增\刪\改\差等語義，我們需要保證這些放置在不同物理機器上的副本是一致的。
為了解決這種分布式一致性問題，前人在性能和數據一致性的反反復復權衡過程中總結了許多典型的協議和算法。其中比較著名的有二階提交協議（Two Phase Commitment Protocol）、三階提交協議（Two Phase Commitment Protocol）和Paxos算法。
分布式事務
分布式事務是指會涉及到操作多個數據庫的事務。其實就是將對同一庫事務的概念擴大到了對多個庫的事務。目的是為了保證分布式系統中的數據一致性。分布式事務處理的關鍵是必須有一種方法可以知道事務在任何地方所做的所有動作，提交或回滾事務的決定必須產生統一的結果（全部提交或全部回滾）
在分布式系統中，各個節點之間在物理上相互獨立，通過網絡進行溝通和協調。由於存在事務機制，可以保證每個獨立節點上的數據操作可以滿足ACID。但是，相互獨立的節點之間無法準確的知道其他節點中的事務執行情況。所以從理論上講，兩臺機器理論上無法達到一致的狀態。如果想讓分布式部署的多臺機器中的數據保持一致性，那麽就要保證在所有節點的數據寫操作，要不全部都執行，要麽全部的都不執行。但是，一臺機器在執行本地事務的時候無法知道其他機器中的本地事務的執行結果。所以他也就不知道本次事務到底應該commit還是 roolback。所以，常規的解決辦法就是引入一個“協調者”的組件來統一調度所有分布式節點的執行。
XA規範
X/Open 組織（即現在的 Open Group ）定義了分布式事務處理模型。 X/Open DTP 模型（ 1994 ）包括應用程序（ AP ）、事務管理器（ TM ）、資源管理器（ RM ）、通信資源管理器（ CRM ）四部分。一般，常見的事務管理器（ TM ）是交易中間件，常見的資源管理器（ RM ）是數據庫，常見的通信資源管理器（ CRM ）是消息中間件。 通常把一個數據庫內部的事務處理，如對多個表的操作，作為本地事務看待。數據庫的事務處理對象是本地事務，而分布式事務處理的對象是全局事務。 所謂全局事務，是指分布式事務處理環境中，多個數據庫可能需要共同完成一個工作，這個工作即是一個全局事務，例如，一個事務中可能更新幾個不同的數據庫。對數據庫的操作發生在系統的各處但必須全部被提交或回滾。此時一個數據庫對自己內部所做操作的提交不僅依賴本身操作是否成功，還要依賴與全局事務相關的其它數據庫的操作是否成功，如果任一數據庫的任一操作失敗，則參與此事務的所有數據庫所做的所有操作都必須回滾。 一般情況下，某一數據庫無法知道其它數據庫在做什麽，因此，在一個 DTP 環境中，交易中間件是必需的，由它通知和協調相關數據庫的提交或回滾。而一個數據庫只將其自己所做的操作（可恢復）影射到全局事務中。
XA 就是 X/Open DTP 定義的交易中間件與數據庫之間的接口規範（即接口函數），交易中間件用它來通知數據庫事務的開始、結束以及提交、回滾等。 XA 接口函數由數據庫廠商提供。
二階提交協議和三階提交協議就是根據這一思想衍生出來的。可以說二階段提交其實就是實現XA分布式事務的關鍵(確切地說：兩階段提交主要保證了分布式事務的原子性：即所有結點要麽全做要麽全不做)
2PC
二階段提交(Two-phaseCommit)是指，在計算機網絡以及數據庫領域內，為了使基於分布式系統架構下的所有節點在進行事務提交時保持一致性而設計的一種算法(Algorithm)。通常，二階段提交也被稱為是一種協議(Protocol))。在分布式系統中，每個節點雖然可以知曉自己的操作時成功或者失敗，卻無法知道其他節點的操作的成功或失敗。當一個事務跨越多個節點時，為了保持事務的ACID特性，需要引入一個作為協調者的組件來統一掌控所有節點(稱作參與者)的操作結果並最終指示這些節點是否要把操作結果進行真正的提交(比如將更新後的數據寫入磁盤等等)。因此，二階段提交的算法思路可以概括為：參與者將操作成敗通知協調者，再由協調者根據所有參與者的反饋情報決定各參與者是否要提交操作還是中止操作。
所謂的兩個階段是指：第一階段：準備階段(投票階段)和第二階段：提交階段（執行階段）。
準備階段
事務協調者(事務管理器)給每個參與者(資源管理器)發送Prepare消息，每個參與者要麽直接返回失敗(如權限驗證失敗)，要麽在本地執行事務，寫本地的redo和undo日誌，但不提交，到達一種“萬事俱備，只欠東風”的狀態。
可以進一步將準備階段分為以下三個步驟：
1）協調者節點向所有參與者節點詢問是否可以執行提交操作(vote)，並開始等待各參與者節點的響應。
2）參與者節點執行詢問發起為止的所有事務操作，並將Undo信息和Redo信息寫入日誌。（註意：若成功這裏其實每個參與者已經執行了事務操作）
3）各參與者節點響應協調者節點發起的詢問。如果參與者節點的事務操作實際執行成功，則它返回一個”同意”消息；如果參與者節點的事務操作實際執行失敗，則它返回一個”中止”消息。
提交階段
如果協調者收到了參與者的失敗消息或者超時，直接給每個參與者發送回滾(Rollback)消息；否則，發送提交(Commit)消息；參與者根據協調者的指令執行提交或者回滾操作，釋放所有事務處理過程中使用的鎖資源。(註意:必須在最後階段釋放鎖資源)
接下來分兩種情況分別討論提交階段的過程。
當協調者節點從所有參與者節點獲得的相應消息都為”同意”時:
1）協調者節點向所有參與者節點發出”正式提交(commit)”的請求。
2）參與者節點正式完成操作，並釋放在整個事務期間內占用的資源。
3）參與者節點向協調者節點發送”完成”消息。
4）協調者節點受到所有參與者節點反饋的”完成”消息後，完成事務。
如果任一參與者節點在第一階段返回的響應消息為”中止”，或者 協調者節點在第一階段的詢問超時之前無法獲取所有參與者節點的響應消息時：
1）協調者節點向所有參與者節點發出”回滾操作(rollback)”的請求。
2）參與者節點利用之前寫入的Undo信息執行回滾，並釋放在整個事務期間內占用的資源。
3）參與者節點向協調者節點發送”回滾完成”消息。
4）協調者節點受到所有參與者節點反饋的”回滾完成”消息後，取消事務。
不管最後結果如何，第二階段都會結束當前事務。
二階段提交看起來確實能夠提供原子性的操作，但是不幸的事，二階段提交還是有幾個缺點的：
1、同步阻塞問題。執行過程中，所有參與節點都是事務阻塞型的。當參與者占有公共資源時，其他第三方節點訪問公共資源不得不處於阻塞狀態。
2、單點故障。由於協調者的重要性，一旦協調者發生故障。參與者會一直阻塞下去。尤其在第二階段，協調者發生故障，那麽所有的參與者還都處於鎖定事務資源的狀態中，而無法繼續完成事務操作。（如果是協調者掛掉，可以重新選舉一個協調者，但是無法解決因為協調者宕機導致的參與者處於阻塞狀態的問題）
3、數據不一致。在二階段提交的階段二中，當協調者向參與者發送commit請求之後，發生了局部網絡異常或者在發送commit請求過程中協調者發生了故障，這回導致只有一部分參與者接受到了commit請求。而在這部分參與者接到commit請求之後就會執行commit操作。但是其他部分未接到commit請求的機器則無法執行事務提交。於是整個分布式系統便出現了數據部一致性的現象。
4、二階段無法解決的問題：協調者再發出commit消息之後宕機，而唯一接收到這條消息的參與者同時也宕機了。那麽即使協調者通過選舉協議產生了新的協調者，這條事務的狀態也是不確定的，沒人知道事務是否被已經提交。
由於二階段提交存在著諸如同步阻塞、單點問題、腦裂等缺陷，所以，研究者們在二階段提交的基礎上做了改進，提出了三階段提交。
3PC
三階段提交（Three-phase commit），也叫三階段提交協議（Three-phase commit protocol），是二階段提交（2PC）的改進版本。
與兩階段提交不同的是，三階段提交有兩個改動點。
1、引入超時機制。同時在協調者和參與者中都引入超時機制。
2、在第一階段和第二階段中插入一個準備階段。保證了在最後提交階段之前各參與節點的狀態是一致的。
也就是說，除了引入超時機制之外，3PC把2PC的準備階段再次一分為二，這樣三階段提交就有CanCommit、PreCommit、DoCommit三個階段。
CanCommit階段
3PC的CanCommit階段其實和2PC的準備階段很像。協調者向參與者發送commit請求，參與者如果可以提交就返回Yes響應，否則返回No響應。
1.事務詢問 協調者向參與者發送CanCommit請求。詢問是否可以執行事務提交操作。然後開始等待參與者的響應。
2.響應反饋 參與者接到CanCommit請求之後，正常情況下，如果其自身認為可以順利執行事務，則返回Yes響應，並進入預備狀態。否則反饋No
PreCommit階段
協調者根據參與者的反應情況來決定是否可以記性事務的PreCommit操作。根據響應情況，有以下兩種可能。
假如協調者從所有的參與者獲得的反饋都是Yes響應，那麽就會執行事務的預執行。
1.發送預提交請求 協調者向參與者發送PreCommit請求，並進入Prepared階段。
2.事務預提交 參與者接收到PreCommit請求後，會執行事務操作，並將undo和redo信息記錄到事務日誌中。
3.響應反饋 如果參與者成功的執行了事務操作，則返回ACK響應，同時開始等待最終指令。
假如有任何一個參與者向協調者發送了No響應，或者等待超時之後，協調者都沒有接到參與者的響應，那麽就執行事務的中斷。
1.發送中斷請求 協調者向所有參與者發送abort請求。
2.中斷事務 參與者收到來自協調者的abort請求之後（或超時之後，仍未收到協調者的請求），執行事務的中斷。
doCommit階段
該階段進行真正的事務提交，也可以分為以下兩種情況。
執行提交
1.發送提交請求 協調接收到參與者發送的ACK響應，那麽他將從預提交狀態進入到提交狀態。並向所有參與者發送doCommit請求。
2.事務提交 參與者接收到doCommit請求之後，執行正式的事務提交。並在完成事務提交之後釋放所有事務資源。
3.響應反饋 事務提交完之後，向協調者發送Ack響應。
4.完成事務 協調者接收到所有參與者的ack響應之後，完成事務。
中斷事務 協調者沒有接收到參與者發送的ACK響應（可能是接受者發送的不是ACK響應，也可能響應超時），那麽就會執行中斷事務。
1.發送中斷請求 協調者向所有參與者發送abort請求
2.事務回滾 參與者接收到abort請求之後，利用其在階段二記錄的undo信息來執行事務的回滾操作，並在完成回滾之後釋放所有的事務資源。
3.反饋結果 參與者完成事務回滾之後，向協調者發送ACK消息
4.中斷事務 協調者接收到參與者反饋的ACK消息之後，執行事務的中斷。
在doCommit階段，如果參與者無法及時接收到來自協調者的doCommit或者rebort請求時，會在等待超時之後，會繼續進行事務的提交。（其實這個應該是基於概率來決定的，當進入第三階段時，說明參與者在第二階段已經收到了PreCommit請求，那麽協調者產生PreCommit請求的前提條件是他在第二階段開始之前，收到所有參與者的CanCommit響應都是Yes。（一旦參與者收到了PreCommit，意味他知道大家其實都同意修改了）所以，一句話概括就是，當進入第三階段時，由於網絡超時等原因，雖然參與者沒有收到commit或者abort響應，但是他有理由相信：成功提交的幾率很大。 ）
2PC與3PC的區別
相對於2PC，3PC主要解決的單點故障問題，並減少阻塞，因為一旦參與者無法及時收到來自協調者的信息之後，他會默認執行commit。而不會一直持有事務資源並處於阻塞狀態。但是這種機制也會導致數據一致性問題，因為，由於網絡原因，協調者發送的abort響應沒有及時被參與者接收到，那麽參與者在等待超時之後執行了commit操作。這樣就和其他接到abort命令並執行回滾的參與者之間存在數據不一致的情況。
了解了2PC和3PC之後，我們可以發現，無論是二階段提交還是三階段提交都無法徹底解決分布式的一致性問題。Google Chubby的作者Mike Burrows說過， there is only one consensus protocol, and that’s Paxos” – all other approaches are just broken versions of Paxos. 意即世上只有一種一致性算法，那就是Paxos，所有其他一致性算法都是Paxos算法的不完整版。後面的文章會介紹這個公認為難於理解但是行之有效的Paxos算法。
參考資料：
- 分布式協議之兩階段提交協議（2PC）和改進三階段提交協議（3PC）
- 關於分布式事務、兩階段提交、一階段提交、Best Efforts 1PC模式和事務補償機制的研究
- 兩階段提交協議與三階段提交協議
關於分布式事務、兩階段提交協議、三階提交協議