Go 语言中的分布式事务处理怎样实现？

2023-06-10 18:55:06 语言 分布式 事务处理

随着互联网应用规模不断扩大和垂直服务的逐渐拆分，分布式系统的发展变得越来越重要。随之而来的问题是，如何在这样的系统中处理事务一致性的问题。这篇文章将介绍 Go 语言中的一些主流分布式事务处理方案，以及它们的实现原理。

传统 ACID 事务

在单机系统中，应用程序通常使用传统的 ACID 事务来确保数据的一致性。ACID 是 Atomicity、Consistency、Isolation、Durability 的缩写，分别代表事务的四个关键属性：

  • 原子性（Atomicity）：一个事务中的一系列操作，要么全部成功，要么全部失败，不存在中间状态。
  • 一致性（Consistency）：事务的执行不会破坏数据库中的完整性约束。
  • 隔离性（Isolation）：并发执行的多个事务之间是隔离的，不会互相干扰。
  • 持久性（Durability）：事务一旦提交，其结果就是永久性的。

然而，当一个应用程序变成了分布式应用程序，就需要管理更多的复杂性，包括网络延迟、不可靠的消息传递、数据拆分等问题，如果仍然使用传统的_ACID_事务，将增加系统的复杂性和开销，出现性能瓶颈，并限制系统的可伸缩性。因此，分布式系统需要一种新的能够管理分布式环境下的事务一致性的方案。

CAP 理论

在分布式系统中，CAP 理论用来描述三个关键要素中的冲突：

  • 一致性（Consistency）：在分布式环境下，所有的节点都具有相同的视图。
  • 可用性（Availability）：应用程序在请求时的响应时限制适当的精度。
  • 分区容忍性（Partition Tolerance）：系统在机器之间的网络分区出现时能够继续工作。

CAP 理论认为，在任何分布式系统中，至多只能同时满足其中两个要素。也就是说，如果我们要在分布式系统中实现一致性和可用性，就必须容忍网络分区的出现。如果我们要实现一致性和分区容忍性，就必须在这种情况下放弃可用性。

BASE 事务

与 ACID 不同，分布式系统通常使用 BASE 式事务来处理事务一致性。BASE 是 Basically Available、Soft state、Eventually consistent 的缩写。

  • Basically Available：尽量保证系统的可用性，即使系统发生故障也不会影响整个系统的可用性。
  • Soft state：系统会让状态数据在一段时间内是不一致的，不保证状态数据实时一致。 Eventually Consistent：系统最终一定会达到一致状态。

BASE 事务不保证强一致性，而是通过最终一致性来达到事务一致性的目标。BASE 事务不适用于需要满足约束的应用程序，但适用于大型应用程序、数据仓库等需要处理大量数据的项目中。

分布式事务实现方案

在 Go 中，目前有三种主流的分布式事务实现方案：

  1. 两阶段提交协议（Two-Phase Commit Protocol）

两阶段提交协议是一种同步协议，用于分布式事务的管理。它确保分布式事务在多个节点之间执行时的原子性、一致性和隔离性。其中，协调器负责管理全局提交协议，同时各个节点负责执行提交/回滚协议。

在两阶段提交协议中，有两个阶段：

1.准备阶段（prepare phase）：协调器询问所有参与节点是否准备提交事务。如果所有节点都准备好了，就进入提交阶段。否则，该事务被回滚。

2.提交阶段（commit phase）：所有参与节点向协调器发出"提交"或"回滚"的指令。如果所有节点都提交成功，该分布式事务就完成了。如果至少一个节点提交失败，该事务就回滚。

然而，两阶段提交协议会出现卡在准备阶段的问题（所谓的二阶段阻塞问题），此时一些节点可能已经提交，而另一些节点却卡在准备阶段后。这样会导致其中一些节点可能永远不会得到回滚指令，导致数据不一致。因此，两阶段提交协议并不是一个完美的分布式事务处理方案。

2.三阶段提交协议（Three-Phase Commit Protocol）

三阶段提交协议是对两阶段提交协议的优化，目的是减少二阶段阻塞问题的出现。它将两阶段提交协议的准备阶段拆分成两个子阶段：

1.询问阶段（ask phase）：协调器向参与节点询问它们是否准备好提交事务。

2.准备阶段（prepare phase）：参与节点确认它们是否准备好提交事务。

顾名思义，三阶段提交协议包括三个阶段：

  1. CanCommit 阶段：协调器询问各个参与节点是否准备好提交事务。
  2. PreCommit 阶段：如果所有节点都准备好了，就进入预提交阶段。否则，协调器发送回滚消息。
  3. DoCommit 阶段：如果各个参与节点确信在进行预提交和提交的过程中不会发生任何错误，就发送提交消息。如果有参与节点在预提交或提交过程中出现了错误，就发送回滚消息。

三阶段提交协议的优点是，相比于两阶段提交协议，它减少了二阶段阻塞的可能性，并且能够更快地响应故障（如故障转移）。但是，它仍然存在着可能无法处理网络分区的问题。

3.SAGA 模式（Saga Pattern）

SAGA 模式是一种长事务实现方案，通过将事务分为一系列互相依存的步骤并且将每一步骤转换为一个原子操作以达到如下目的：

  • 最大可能减少事务的范围。
  • 不必所有步骤都需要强制一致性。
  • 可以部分回滚，不必回滚所有步骤。

SAGA 模式由若干阶段（stage）组成，每个阶段执行一部分事务操作，这些操作可以是任何能获得幂等性保证的操作（即操作本身可以重复执行，而不会对结果产生影响）。若某个阶段失败，SAGA 模式将会根据执行情况向前或向后回滚阶段，最终达到某个状态，使得在此状态下，所有阶段的操作已经正确执行或是已无法回滚。

通过 SAGA 模式，我们可以实现各业务模块独立开发、部署、扩展，代价是需要支持至少部分回滚; SAGA 模式会保证最终结果，因此不必保证所有的步骤都是严格一致的，这使得它可以在复杂的异步/同步分布式环境下发挥作用。

总结

在 Go 语言中，我们有多种方式来处理分布式事务处理，如分布式协议、长事务方案和Saga。每一种方案都有着各自的优缺点，并且在适合的场景下得到最优的应用。在实际应用中，我们需要根据具体情况进行选择，才能更好地实现分布式事务的管理。

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