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深度剖析 Seata TCC 模式【图解 + 源码分析】

2022-01-17
张乘辉

Seata 目前支持 AT 模式、XA 模式、TCC 模式和 SAGA 模式,之前文章更多谈及的是非侵入式的 AT 模式,今天带大家认识一下同样是二阶段提交的 TCC 模式。

什么是 TCC

TCC 是分布式事务中的二阶段提交协议,它的全称为 Try-Confirm-Cancel,即资源预留(Try)、确认操作(Confirm)、取消操作(Cancel),他们的具体含义如下:

  1. Try:对业务资源的检查并预留;
  2. Confirm:对业务处理进行提交,即 commit 操作,只要 Try 成功,那么该步骤一定成功;
  3. Cancel:对业务处理进行取消,即回滚操作,该步骤回对 Try 预留的资源进行释放。

TCC 是一种侵入式的分布式事务解决方案,以上三个操作都需要业务系统自行实现,对业务系统有着非常大的入侵性,设计相对复杂,但优点是 TCC 完全不依赖数据库,能够实现跨数据库、跨应用资源管理,对这些不同数据访问通过侵入式的编码方式实现一个原子操作,更好地解决了在各种复杂业务场景下的分布式事务问题。

Seata TCC 模式

Seata TCC 模式跟通用型 TCC 模式原理一致,我们先来使用 Seata TCC 模式实现一个分布式事务:

假设现有一个业务需要同时使用服务 A 和服务 B 完成一个事务操作,我们在服务 A 定义该服务的一个 TCC 接口:

public interface TccActionOne {
    @TwoPhaseBusinessAction(name = "DubboTccActionOne", commitMethod = "commit", rollbackMethod = "rollback")
    public boolean prepare(BusinessActionContext actionContext, @BusinessActionContextParameter(paramName = "a") String a);
    public boolean commit(BusinessActionContext actionContext);
    public boolean rollback(BusinessActionContext actionContext);
}

同样,在服务 B 定义该服务的一个 TCC 接口:

public interface TccActionTwo {
    @TwoPhaseBusinessAction(name = "DubboTccActionTwo", commitMethod = "commit", rollbackMethod = "rollback")
    public void prepare(BusinessActionContext actionContext, @BusinessActionContextParameter(paramName = "b") String b);
    public void commit(BusinessActionContext actionContext);
    public void rollback(BusinessActionContext actionContext);
}

在业务所在系统中开启全局事务并执行服务 A 和服务 B 的 TCC 预留资源方法:

@GlobalTransactional
public String doTransactionCommit() {
    //服务A事务参与者
    tccActionOne.prepare(null, "one");
	//服务B事务参与者
    tccActionTwo.prepare(null, "two");
}

以上就是使用 Seata TCC 模式实现一个全局事务的例子,可以看出,TCC 模式同样使用 @GlobalTransactional 注解开启全局事务,而服务 A 和服务 B 的 TCC 接口为事务参与者,Seata 会把一个 TCC 接口当成一个 Resource,也叫 TCC Resource。

TCC 接口可以是 RPC,也可以是 JVM 内部调用,意味着一个 TCC 接口,会有发起方和调用方两个身份,以上例子,TCC 接口在服务 A 和服务 B 中是发起方,在业务所在系统中是调用方。如果该 TCC 接口为 Dubbo RPC,那么调用方就是一个 dubbo:reference,发起方则是一个 dubbo:service。

Seata 启动时会对 TCC 接口进行扫描并解析,如果 TCC 接口是一个发布方,则在 Seata 启动时会向 TC 注册 TCC Resource,每个 TCC Resource 都有一个资源 ID;如果 TCC 接口时一个调用方,Seata 代理调用方,与 AT 模式一样,代理会拦截 TCC 接口的调用,即每次调用 Try 方法,会向 TC 注册一个分支事务,接着才执行原来的 RPC 调用。

当全局事务决议提交/回滚时,TC 会通过分支注册的的资源 ID 回调到对应参与者服务中执行 TCC Resource 的 Confirm/Cancel 方法。

Seata 如何实现 TCC 模式

从上面的 Seata TCC 模型可以看出,TCC 模式在 Seata 中也是遵循 TC、TM、RM 三种角色模型的,如何在这三种角色模型中实现 TCC 模式呢?我将其主要实现归纳为资源解析、资源管理、事务处理。

资源解析

资源解析即是把 TCC 接口进行解析并注册,前面说过,TCC 接口可以是 PRC,也可以是 JVM 内部调用,在 Seata TCC 模块中中一个 remoting 模块,该模块专门用于解析具有 TwoPhaseBusinessAction 注解的 TCC 接口资源:

RemotingParser 接口主要有 isRemotingisReferenceisServicegetServiceDesc 等方法,默认的实现为 DefaultRemotingParser,其余各自的 RPC 协议解析类都在 DefaultRemotingParser 中执行,Seata 目前已经实现了对 Dubbo、HSF、SofaRpc、LocalTCC 的 RPC 协议的解析,同时具备 SPI 可扩展性,未来欢迎大家为 Seata 提供更多的 RPC 协议解析类。

在 Seata 启动过程中,有个 GlobalTransactionScanner 注解进行扫描,会执行以下方法:

io.seata.spring.util.TCCBeanParserUtils#isTccAutoProxy

该方法目的是判断 bean 是否已被 TCC 代理,在过程中会先判断 bean 是否是一个 Remoting bean,如果是则调用 getServiceDesc 方法对 remoting bean 进行解析,同时判断如果是一个发起方,则对其进行资源注册:

io.seata.rm.tcc.remoting.parser.DefaultRemotingParser#parserRemotingServiceInfo

public RemotingDesc parserRemotingServiceInfo(Object bean, String beanName, RemotingParser remotingParser) {
    RemotingDesc remotingBeanDesc = remotingParser.getServiceDesc(bean, beanName);
    if (remotingBeanDesc == null) {
        return null;
    }
    remotingServiceMap.put(beanName, remotingBeanDesc);

    Class<?> interfaceClass = remotingBeanDesc.getInterfaceClass();
    Method[] methods = interfaceClass.getMethods();
    if (remotingParser.isService(bean, beanName)) {
        try {
            //service bean, registry resource
            Object targetBean = remotingBeanDesc.getTargetBean();
            for (Method m : methods) {
                TwoPhaseBusinessAction twoPhaseBusinessAction = m.getAnnotation(TwoPhaseBusinessAction.class);
                if (twoPhaseBusinessAction != null) {
                    TCCResource tccResource = new TCCResource();
                    tccResource.setActionName(twoPhaseBusinessAction.name());
                    tccResource.setTargetBean(targetBean);
                    tccResource.setPrepareMethod(m);
                    tccResource.setCommitMethodName(twoPhaseBusinessAction.commitMethod());
                    tccResource.setCommitMethod(interfaceClass.getMethod(twoPhaseBusinessAction.commitMethod(),
                                                                         twoPhaseBusinessAction.commitArgsClasses()));
                    tccResource.setRollbackMethodName(twoPhaseBusinessAction.rollbackMethod());
                    tccResource.setRollbackMethod(interfaceClass.getMethod(twoPhaseBusinessAction.rollbackMethod(),
                                                                           twoPhaseBusinessAction.rollbackArgsClasses()));
                    // set argsClasses
                    tccResource.setCommitArgsClasses(twoPhaseBusinessAction.commitArgsClasses());
                    tccResource.setRollbackArgsClasses(twoPhaseBusinessAction.rollbackArgsClasses());
                    // set phase two method's keys
                    tccResource.setPhaseTwoCommitKeys(this.getTwoPhaseArgs(tccResource.getCommitMethod(),
                                                                           twoPhaseBusinessAction.commitArgsClasses()));
                    tccResource.setPhaseTwoRollbackKeys(this.getTwoPhaseArgs(tccResource.getRollbackMethod(),
                                                                             twoPhaseBusinessAction.rollbackArgsClasses()));
                    //registry tcc resource
                    DefaultResourceManager.get().registerResource(tccResource);
                }
            }
        } catch (Throwable t) {
            throw new FrameworkException(t, "parser remoting service error");
        }
    }
    if (remotingParser.isReference(bean, beanName)) {
        //reference bean, TCC proxy
        remotingBeanDesc.setReference(true);
    }
    return remotingBeanDesc;
}

以上方法,先调用解析类 getServiceDesc 方法对 remoting bean 进行解析,并将解析后的 remotingBeanDesc 放入 本地缓存 remotingServiceMap 中,同时调用解析类 isService 方法判断是否为发起方,如果是发起方,则解析 TwoPhaseBusinessAction 注解内容生成一个 TCCResource,并对其进行资源注册。

资源管理

1、资源注册

Seata TCC 模式的资源叫 TCCResource,其资源管理器叫 TCCResourceManager,前面讲过,当解析完 TCC 接口 RPC 资源后,如果是发起方,则会对其进行资源注册:

io.seata.rm.tcc.TCCResourceManager#registerResource

public void registerResource(Resource resource) {
    TCCResource tccResource = (TCCResource)resource;
    tccResourceCache.put(tccResource.getResourceId(), tccResource);
    super.registerResource(tccResource);
}

TCCResource 包含了 TCC 接口的相关信息,同时会在本地进行缓存。继续调用父类 registerResource 方法(封装了通信方法)向 TC 注册,TCC 资源的 resourceId 是 actionName,actionName 就是 @TwoParseBusinessAction 注解中的 name。

2、资源提交/回滚

io.seata.rm.tcc.TCCResourceManager#branchCommit

public BranchStatus branchCommit(BranchType branchType, String xid, long branchId, String resourceId,
                                 String applicationData) throws TransactionException {
    TCCResource tccResource = (TCCResource)tccResourceCache.get(resourceId);
    if (tccResource == null) {
        throw new ShouldNeverHappenException(String.format("TCC resource is not exist, resourceId: %s", resourceId));
    }
    Object targetTCCBean = tccResource.getTargetBean();
    Method commitMethod = tccResource.getCommitMethod();
    if (targetTCCBean == null || commitMethod == null) {
        throw new ShouldNeverHappenException(String.format("TCC resource is not available, resourceId: %s", resourceId));
    }
    try {
        //BusinessActionContext
        BusinessActionContext businessActionContext = getBusinessActionContext(xid, branchId, resourceId,
                                                                               applicationData);
        // ... ... 
        ret = commitMethod.invoke(targetTCCBean, args);
        // ... ... 
        return result ? BranchStatus.PhaseTwo_Committed : BranchStatus.PhaseTwo_CommitFailed_Retryable;
    } catch (Throwable t) {
        String msg = String.format("commit TCC resource error, resourceId: %s, xid: %s.", resourceId, xid);
        LOGGER.error(msg, t);
        return BranchStatus.PhaseTwo_CommitFailed_Retryable;
    }
}

当 TM 决议二阶段提交,TC 会通过分支注册的的资源 ID 回调到对应参与者(即 TCC 接口发起方)服务中执行 TCC Resource 的 Confirm/Cancel 方法。

资源管理器中会根据 resourceId 在本地缓存找到对应的 TCCResource,同时根据 xid、branchId、resourceId、applicationData 找到对应的 BusinessActionContext 上下文,执行的参数就在上下文中。最后,执行 TCCResource 中获取 commit 的方法进行二阶段提交。

二阶段回滚同理类似。

事务处理

前面讲过,如果 TCC 接口时一个调用方,则会使用 Seata TCC 代理对调用方进行拦截处理,并在处理调用真正的 RPC 方法前对分支进行注册。

执行方法io.seata.spring.util.TCCBeanParserUtils#isTccAutoProxy除了对 TCC 接口资源进行解析,还会判断 TCC 接口是否为调用方,如果是调用方则返回 true:

io.seata.spring.annotation.GlobalTransactionScanner#wrapIfNecessary

如图,当 GlobalTransactionalScanner 扫描到 TCC 接口调用方(Reference)时,会使 TccActionInterceptor 对其进行代理拦截处理,TccActionInterceptor 实现 MethodInterceptor

TccActionInterceptor 中还会调用 ActionInterceptorHandler 类型执行拦截处理逻辑,事务相关处理就在 ActionInterceptorHandler#proceed 方法中:

public Object proceed(Method method, Object[] arguments, String xid, TwoPhaseBusinessAction businessAction,
                      Callback<Object> targetCallback) throws Throwable {
    //Get action context from arguments, or create a new one and then reset to arguments
    BusinessActionContext actionContext = getOrCreateActionContextAndResetToArguments(method.getParameterTypes(), arguments);
    //Creating Branch Record
    String branchId = doTccActionLogStore(method, arguments, businessAction, actionContext);
    // ... ... 
    try { 
        // ... ...
        return targetCallback.execute();
    } finally {
        try {
            //to report business action context finally if the actionContext.getUpdated() is true
            BusinessActionContextUtil.reportContext(actionContext);
        } finally {
            // ... ... 
        }
    }
}

以上,在执行 TCC 接口一阶段之前,会调用 doTccActionLogStore 方法分支注册,同时还会将 TCC 相关信息比如参数放置在上下文,上面讲的资源提交/回滚就会用到这个上下文。

如何控制异常

在 TCC 模型执行的过程中,还可能会出现各种异常,其中最为常见的有空回滚、幂等、悬挂等。下面我讲下 Seata 是如何处理这三种异常的。

如何处理空回滚

什么是空回滚?

空回滚指的是在一个分布式事务中,在没有调用参与方的 Try 方法的情况下,TM 驱动二阶段回滚调用了参与方的 Cancel 方法。

那么空回滚是如何产生的呢?

如上图所示,全局事务开启后,参与者 A 分支注册完成之后会执行参与者一阶段 RPC 方法,如果此时参与者 A 所在的机器发生宕机,网络异常,都会造成 RPC 调用失败,即参与者 A 一阶段方法未成功执行,但是此时全局事务已经开启,Seata 必须要推进到终态,在全局事务回滚时会调用参与者 A 的 Cancel 方法,从而造成空回滚。

要想防止空回滚,那么必须在 Cancel 方法中识别这是一个空回滚,Seata 是如何做的呢?

Seata 的做法是新增一个 TCC 事务控制表,包含事务的 XID 和 BranchID 信息,在 Try 方法执行时插入一条记录,表示一阶段执行了,执行 Cancel 方法时读取这条记录,如果记录不存在,说明 Try 方法没有执行。

如何处理幂等

幂等问题指的是 TC 重复进行二阶段提交,因此 Confirm/Cancel 接口需要支持幂等处理,即不会产生资源重复提交或者重复释放。

那么幂等问题是如何产生的呢?

如上图所示,参与者 A 执行完二阶段之后,由于网络抖动或者宕机问题,会造成 TC 收不到参与者 A 执行二阶段的返回结果,TC 会重复发起调用,直到二阶段执行结果成功。

Seata 是如何处理幂等问题的呢?

同样的也是在 TCC 事务控制表中增加一个记录状态的字段 status,该字段有有 3 个值,分别为:

  1. tried:1
  2. committed:2
  3. rollbacked:3

二阶段 Confirm/Cancel 方法执行后,将状态改为 committed 或 rollbacked 状态。当重复调用二阶段 Confirm/Cancel 方法时,判断事务状态即可解决幂等问题。

如何处理悬挂

悬挂指的是二阶段 Cancel 方法比 一阶段 Try 方法优先执行,由于允许空回滚的原因,在执行完二阶段 Cancel 方法之后直接空回滚返回成功,此时全局事务已结束,但是由于 Try 方法随后执行,这就会造成一阶段 Try 方法预留的资源永远无法提交和释放了。

那么悬挂是如何产生的呢?

如上图所示,在执行参与者 A 的一阶段 Try 方法时,出现网路拥堵,由于 Seata 全局事务有超时限制,执行 Try 方法超时后,TM 决议全局回滚,回滚完成后如果此时 RPC 请求才到达参与者 A,执行 Try 方法进行资源预留,从而造成悬挂。

Seata 是怎么处理悬挂的呢?

在 TCC 事务控制表记录状态的字段 status 中增加一个状态:

  1. suspended:4

当执行二阶段 Cancel 方法时,如果发现 TCC 事务控制表有相关记录,说明二阶段 Cancel 方法优先一阶段 Try 方法执行,因此插入一条 status=4 状态的记录,当一阶段 Try 方法后面执行时,判断 status=4 ,则说明有二阶段 Cancel 已执行,并返回 false 以阻止一阶段 Try 方法执行成功。


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