近日，騰訊云發(fā)布了分布式數(shù)據(jù)庫解決方案(DCDB)，其最明顯的特性之一就是提供了高于開源分布式事務(wù)XA的性能。大型業(yè)務(wù)系統(tǒng)有著用戶多、并發(fā)高的特點(diǎn)，在這方面，集中式數(shù)據(jù)庫(單機(jī)數(shù)據(jù)庫)的性能很難支持，因此主流的互聯(lián)網(wǎng)公司往往采用分布式(架構(gòu))數(shù)據(jù)庫，物理上利用更多的低端設(shè)備，邏輯上對(duì)大表水平拆分支撐業(yè)務(wù)的需要。
雖然分布式數(shù)據(jù)庫能解決性能難題，但事務(wù)一致性(Consistency)的問題，卻很難在分布式數(shù)據(jù)庫上得到解決。
分布式事務(wù)老大難題，數(shù)據(jù)一致難以實(shí)現(xiàn)
眾所周知，一個(gè)事務(wù)所做的更新，分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)完成(每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地事務(wù)是這個(gè)全局事務(wù)的一個(gè)事務(wù)分支)，在這樣一個(gè)全局事務(wù)提交期間，有可能某些事務(wù)分支無法成功提交。
針對(duì)這一問題，雖然業(yè)內(nèi)早已存在理論解決方案——二階段提交協(xié)議(簡(jiǎn)稱2PC)，并延伸出分布式事務(wù)(簡(jiǎn)稱XA)的解決方案。但業(yè)內(nèi)卻少有工程化實(shí)現(xiàn)且大規(guī)模應(yīng)用的案例。而騰訊云分布式數(shù)據(jù)庫DCDB，卻已在內(nèi)部業(yè)務(wù)中應(yīng)用多年。
(圖：二階段提交算法)
目前DCDB已應(yīng)用在騰訊內(nèi)部90%以上的交易、計(jì)費(fèi)業(yè)務(wù)，并且三一重工(樹根互聯(lián))、匯通天下(G7)、閱文集團(tuán)(起點(diǎn)/創(chuàng)世中文網(wǎng)等)、微眾銀行、和泰人壽、威富通等都在該產(chǎn)品。
騰訊云首發(fā)分布式數(shù)據(jù)庫XA，支持MySQL 5.7
騰訊云分布式數(shù)據(jù)庫DCDB，是基于騰訊金融級(jí)數(shù)據(jù)庫(公司內(nèi)部代號(hào)TDSQL)云化改造而來的兼容MySQL協(xié)議的分布式數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)如今，騰訊云DCDB已經(jīng)正式在MySQL 5.7(percona分支)協(xié)議上支持分布式事務(wù)XA，并已在騰訊云公有云、金融云發(fā)布供開發(fā)者使用。開發(fā)者可以通過申請(qǐng)DCDB實(shí)例，并在初始化后，連接實(shí)例運(yùn)行如下sql進(jìn)行初始化：
MySQL> xa init;
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)
注意：初始化xa前，請(qǐng)開啟強(qiáng)同步復(fù)制能力，另外該sql會(huì)創(chuàng)建xa.gtid_log_t，用戶在后續(xù)使用中萬勿對(duì)其進(jìn)行任何操作。。
為更好的支持分布式事務(wù)，DCDB還新增了SQL命令：
1) SELECT gtid()，獲取當(dāng)前分布式事務(wù)的gtid(事務(wù)的全局唯一性標(biāo)識(shí))，如果該事務(wù)不是分布式事務(wù)則返回空;
gtid的格式：
‘網(wǎng)關(guān)id’-‘網(wǎng)關(guān)隨機(jī)值’-‘序列號(hào)’-‘時(shí)間戳’-‘分區(qū)號(hào)’，例如 c46535fe-b6-dd-595db6b8-25
2) SELECT gtid_state(“gtid”)，獲取“gtid”的狀態(tài)，可能的結(jié)果有：
a) “COMMIT”，標(biāo)識(shí)該事務(wù)已經(jīng)或者最終會(huì)被提交
b) “ABORT”，標(biāo)識(shí)該事務(wù)最終會(huì)被回滾
c) 空，由于事務(wù)的狀態(tài)會(huì)在一個(gè)小時(shí)之后清楚，因此有以下兩種可能：
1) 一個(gè)小時(shí)之后查詢，標(biāo)識(shí)事務(wù)狀態(tài)已經(jīng)清除
2) 一個(gè)小時(shí)以內(nèi)查詢，標(biāo)識(shí)事務(wù)最終會(huì)被回滾
3) 運(yùn)維命令：
xa recover：向后端SET發(fā)送xa recover命令，并進(jìn)行匯總
xa lockwait：顯示當(dāng)前分布式事務(wù)的等待關(guān)系(可以使用dot命令將輸出轉(zhuǎn)化為等待關(guān)系圖)
xa show：當(dāng)前網(wǎng)關(guān)上正在運(yùn)行的分布式事務(wù)
以Python為例，可以對(duì)轉(zhuǎn)賬業(yè)務(wù)進(jìn)行如下編碼：
db = pyMySQL.connect(host=testHost, port=testPort, user=testUser, password=testPassword, database=testDatabase)
cursor = db.cursor()
try:
cursor.execute("begin")
#為一個(gè)賬戶Bob的余額減1
query = "update t_user_balance SET balance = balance - 1 where user='Bob' and balance>1)
affected = cursor.execute(query)
if affected == 0: #余額不足，回滾事務(wù)
cursor.execute("rollback")
return
#為一個(gè)賬戶John的余額加1
query = "update t_user_balance SET balance = balance + 1 where user='John')
cursor.execute(query)
# 為了安全起見，建議在這里執(zhí)行‘SELECT gtid()’獲取當(dāng)前事務(wù)的id值，便于后續(xù)跟蹤事務(wù)的執(zhí)行情況
#提交事務(wù)
cursor.execute("commit")
except pyMySQL.err.MySQLError as e:
# 發(fā)生故障，回滾事務(wù)
cursor.execute("rollback")
分布式事務(wù)的好處在于會(huì)大大降低應(yīng)用開發(fā)難度，因?yàn)樵谀承┎恢С諼A的數(shù)據(jù)庫中，需要業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過特殊并且巧妙的設(shè)計(jì)，而非利用數(shù)據(jù)庫來解決事務(wù)中數(shù)據(jù)不一致等問題。這種對(duì)應(yīng)用開發(fā)者的技術(shù)水平要求很高，越是復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，越會(huì)增加開發(fā)成本和技術(shù)門檻，這是業(yè)內(nèi)大多數(shù)開發(fā)者面對(duì)分布式數(shù)據(jù)庫時(shí)，只能望而卻步的主要原因。
騰訊云DCDB XA關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)方案
1、DCDB架構(gòu)介紹
騰訊云DCDB整個(gè)集群架構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖，MySQL采用主從節(jié)點(diǎn)配置(也叫作主備)一套主從節(jié)點(diǎn)叫做SET，在每一個(gè)SET外配置網(wǎng)關(guān)(TProxy)，形成一個(gè)物理分片(Shard)。
DCDB后端是MySQL(或其分支版本)數(shù)據(jù)庫，目前騰訊云公有云發(fā)布支持XA的版本是基于MySQL 5.7.17(percona分支)。
2、網(wǎng)關(guān)（TProxy）與XA
網(wǎng)關(guān)是用于接收請(qǐng)求并與后端MySQL建立連接的網(wǎng)絡(luò)模塊。網(wǎng)關(guān)可以用兩種模式工作，一種稱為noshard，此模式下網(wǎng)關(guān)不處理/不解析SQL語句，透明轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求和應(yīng)答。另一種模式稱為shard(分布式，即支持自動(dòng)水平分表)模式下，TProxy會(huì)解析SQL并轉(zhuǎn)發(fā)到不同的數(shù)據(jù)分片。
在實(shí)現(xiàn)XA之前，網(wǎng)關(guān)不允許在一個(gè)事務(wù)中向多個(gè)SET發(fā)送DML語句。因?yàn)槲磳?shí)現(xiàn)二階段提交(2PC)時(shí)，事務(wù)采用一階段提交，如果分布式中某一個(gè)SET提交失敗了或回滾了，那么這個(gè)分布式事務(wù)就處于不一致的狀態(tài)。
(網(wǎng)關(guān)的工作方式)
二階段提交中需要的事務(wù)管理器(TM)。為了解決容災(zāi)、簡(jiǎn)化架構(gòu)，騰訊云DCDB將TM實(shí)現(xiàn)在TProxy中，而DCDB的網(wǎng)關(guān)是一個(gè)無狀態(tài)的模塊，通過這一架構(gòu)，DCDB XA可以支持：
1、分布式事務(wù)對(duì)業(yè)務(wù)透明，兼容單機(jī)事務(wù)語法(start transaction/commit/rollback/savepoint)。
2、每個(gè)網(wǎng)關(guān)都可以獨(dú)立接受和處理事務(wù)請(qǐng)求，且無需與其他網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)故障不丟失事務(wù)。
3、允許顯式事務(wù)中多條語句分別發(fā)給多個(gè)分片。
4、網(wǎng)關(guān)無需持久狀態(tài)，無需容災(zāi)，可以隨時(shí)經(jīng)由調(diào)度集群退出或加入集群，且性能可以擴(kuò)展。
5、支持autocommit下單條語句寫訪問多個(gè)分片等。
DCDB網(wǎng)關(guān)還允許以流式處理方式運(yùn)行g(shù)roup by、order by，流式處理讓這類操作變得非常方式非常高效;網(wǎng)關(guān)還支持兩個(gè)Shard使用shardkey(分表鍵)做等值連接，以及使用shardkey的子查詢。
未來，騰訊云還計(jì)劃支持分布式JOIN、Sparksql、二級(jí)分區(qū)等高級(jí)功能，兼容更多MySQL高級(jí)語法。
3、強(qiáng)同步與XA
由于騰訊云DCDB默認(rèn)采用強(qiáng)同步復(fù)制，即主從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)完全一致，因此XA事務(wù)也遵循強(qiáng)同步的邏輯，即需等待從機(jī)確認(rèn)數(shù)據(jù)同步后，才給業(yè)務(wù)以應(yīng)答(commit)。基于強(qiáng)同步，在以下兩種異常情況下，DCDB XA可輕松應(yīng)對(duì)
1、主節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，已確認(rèn)事務(wù)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失：主節(jié)點(diǎn)故障那么擁有最新數(shù)據(jù)和binlog的從機(jī)就被選為主節(jié)點(diǎn)，這其中的數(shù)據(jù)也包括所有已經(jīng)向用戶確認(rèn)完成提交的事務(wù)的數(shù)據(jù)。
2、原主節(jié)點(diǎn)恢復(fù)后重新加入集群,未確認(rèn)事務(wù)自動(dòng)閃回：原主節(jié)點(diǎn)恢復(fù)重新接入集群，它將作為從機(jī)運(yùn)行，此時(shí)他可能存留多余的已提交事務(wù)(此時(shí)事務(wù)并未得到強(qiáng)同步同步確認(rèn)，即原備機(jī)并沒有相關(guān)數(shù)據(jù))，那么這些事務(wù)會(huì)被閃回。雖然這些事務(wù)可能已經(jīng)在原主節(jié)點(diǎn)的MySQL內(nèi)部完成提交，但由于強(qiáng)同步機(jī)制，他并不會(huì)向客戶端返回commit語句，這意味著仍被視為一個(gè)未完成的事務(wù)。因此，這些事務(wù)的閃回了也并沒有破壞數(shù)據(jù)庫的ACID屬性。這里值得說的是，閃回flashback是基于binlog生成做逆操作，它與數(shù)據(jù)庫回滾并不同rollback，閃回可以做DDL操作。
騰訊云DCDB的強(qiáng)同步為騰訊金融級(jí)數(shù)據(jù)庫自研的一項(xiàng)能力，性能比官方半同步大幅提高，幾乎等于異步復(fù)制性能，騰訊云DCDB在騰訊內(nèi)部應(yīng)用多年，未發(fā)生過一起因?yàn)橹鲝那袚Q、故障帶來的數(shù)據(jù)誤差。而且，從性能上，也撐住了騰訊公司各類大型運(yùn)營活動(dòng)如紅包、各類游戲大型推廣等海量并發(fā)，其主要原因是強(qiáng)同步采用異步提交/等待方式，且不占用數(shù)據(jù)庫工作線程。
4、并發(fā)控制與隔離級(jí)別
為了達(dá)到數(shù)據(jù)一致性和性能的平衡，分布式事務(wù)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)庫隔離控制。XA的隔離級(jí)別最高可以達(dá)到serializable（完全串行化），該級(jí)別將不存在幻讀的問題，serializable級(jí)別可以通過設(shè)置SET global tx_isolation='serializable'來對(duì)DCDB所有物理分片(和其上承載的MySQL數(shù)據(jù)庫)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)然，也可以通過調(diào)整隔離級(jí)別以調(diào)整數(shù)據(jù)庫實(shí)例性能，理論上，Read Uncommitted性能最高，但可能存在臟讀、幻讀的情況。
(ANSI/ISO定義的SQL-92標(biāo)準(zhǔn)定義的四種隔離級(jí)別)
5、分布式事務(wù)處理算法
前面講到，騰訊云DCDB的網(wǎng)關(guān)在shard模式下已經(jīng)能夠解析SQL語句，騰訊云在網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)TM以使得XA最具效率。為此，我們?cè)诰W(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)TM中的協(xié)調(diào)器(coordinator)，并在網(wǎng)關(guān)中維護(hù)每個(gè)XA的狀態(tài)，記錄好每個(gè)XA寫入的SET，然后在提交階段做兩階段提交即可，大致流程如下：
1、網(wǎng)關(guān)在執(zhí)行一個(gè)事務(wù)的insert/update/delete語句時(shí)，會(huì)記錄這個(gè)語句修改了哪個(gè)SET;
2、SET時(shí)會(huì)發(fā)送一個(gè)XA START在這個(gè)SET上面啟動(dòng)事務(wù)分支;(注：XA事務(wù)開始時(shí)，并不確認(rèn)事務(wù)將以哪種提交方式執(zhí)行，因此總是以xa start來開啟一個(gè)事務(wù))
3、檢測(cè)是否影響SET個(gè)數(shù)≤1，若是，則直接做一階段提交(xa commit one phase)。
4、影響SET個(gè)數(shù)≥2，則改為做兩階段提交
1)網(wǎng)關(guān)首先發(fā)送xa prepare ‘gtid’ 給參與的SET(大于等于2個(gè)SET)
2)SET接受到xa prepare應(yīng)答ok(表示成功確認(rèn))
3)收到成功確認(rèn)后，寫入XA對(duì)應(yīng)的commit log，再發(fā)送xa commit ‘gtid’參與SET。
4)如果有SET返回了錯(cuò)誤，或者寫入commit log失敗，那么網(wǎng)關(guān)發(fā)送 xa rollback ‘gtid’ 給相關(guān)SET，這樣這個(gè)全局事務(wù)就實(shí)現(xiàn)了回滾。
騰訊云DCDB的commit log是在SET中存儲(chǔ)，這個(gè)步驟是批量完成的——網(wǎng)關(guān)后臺(tái)線程會(huì)匯集正在提交的分布式事務(wù)然后在獨(dú)立的連接和事務(wù)中完成對(duì)每個(gè)SET的寫入，并且每個(gè)事務(wù)的commit log只寫入一個(gè)SET中，因而這個(gè)開銷并沒有顯著增加事務(wù)的提交耗時(shí)或者降低TPS。而且，依賴騰訊云DCDB已有的強(qiáng)同步和容災(zāi)特性，只要XA成功寫入了commit log，就意味著數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入從機(jī)。
雖然絕大多數(shù)的XA事務(wù)可以正常執(zhí)行。但極少數(shù)的異常情況還是會(huì)影響整個(gè)集群穩(wěn)定性，因此，騰訊云設(shè)計(jì)了agent(監(jiān)控模塊)，在故障后繼續(xù)協(xié)助完成本地MySQL上面prepared事務(wù)的提交，即agent會(huì)解析commit log，并根據(jù)異常處理本地仍然處于prepared的事務(wù)數(shù)據(jù);如果commit log上面沒有事務(wù)的提交決定的話，agent也會(huì)回滾超時(shí)未被提交的prepared本地事務(wù)。
雖然在MySQL 5.5、5.6等版本早已實(shí)現(xiàn)XA，但這兩個(gè)版本相對(duì)于5.7仍然有性能不足，因此騰訊云目前只在公有云上基于5.7.17支持XA版本。如今，騰訊云在MySQL 、percona、MariaDB等分支中做了大量?jī)?yōu)化和相關(guān)bug修復(fù)(部分已經(jīng)提交到社區(qū)修復(fù)patch或開源)，未來騰訊云還將繼續(xù)致力于新特性的開發(fā)和相關(guān)Bug的修復(fù)，為眾多有需要的企業(yè)，提供更好的分布式數(shù)據(jù)庫支持。
