Apache ShardingSphere XA分布式事务系列(一)

Shardingsphere对XA分布式事务的支持

Apache ShardingSphere 是一套开源的分布式数据库中间件解决方案组成的生态圈，它由 JDBC、Proxy 和 Sidecar（规划中）这 3 款相互独立，却又能够混合部署配合使用的产品组成。它们均提供标准化的数据分片、分布式事务和数据库治理功能，可适用于如 Java 同构、异构语言、云原生等各种多样化的应用场景。

ShardingSphere 已于2020年4月16日成为 Apache 软件基金会的顶级项目。

分布式系统CAP理论

一致性（Consistency）

一致性指 all nodes see the same data at the same time，即更新操作成功并返回客户端完成后，所有节点在同一时间的数据完全一致，不能存在中间状态。
关于一致性，如果用户时刻看到的数据都是一致的，那么称之为强一致性。如果允许存在中间状态，只要求经过一段时间后，数据最终是一致的，则称之为最终一致性。此外，如果允许存在部分数据不一致，那么就称之为弱一致性

可用性（Availability）

可用性是指系统提供的服务必须一直处于可用的状态，对于用户的每一个操作请求总是能够在有限的时间内返回结果。有限的时间内是指:对于用户的一个操作请求，系统必须能够在指定的时间内返回对应的处理结果，如果超过了这个时间范围，那么系统就被认为是不可用的。
返回结果是可用性的另一个非常重要的指标，它要求系统在完成对用户请求的处理后，返回一个正常的响应结果，不论这个结果是成功还是失败。

分区容错性（Partition tolerance ）

布式系统在遇到任何网络分区故障的时候，仍然需要能够保证对外提供满足一致性和可用性的服务，除非是整个网络环境都发生了故障。

X/Open DTP模型与XA规范

X/Open，即现在的open group，是一个独立的组织，主要负责制定各种行业技术标准。官网地址：http://www.opengroup.org/。X/Open组织主要由各大知名公司或者厂商进行支持，这些组织不光遵循X/Open组织定义的行业技术标准，也参与到标准的制定。下图展示了open group目前主要成员(官网截图)：

Apache ShardingSphere XA分布式事务系列(一)

DTP模型

Apache ShardingSphere XA分布式事务系列(一)

应用程序(Application Program ，简称AP)：用于定义事务边界(即定义事务的开始和结束)，并且在事务边界内对资源进行操作。
资源管理器(Resource Manager，简称RM,一般也称为事务参与者)：如数据库、文件系统等，并提供访问资源的方式。
事务管理器(Transaction Manager ，简称TM，一般也称为事务协调者)：负责分配事务唯一标识，监控事务的执行进度，并负责事务的提交、回滚等。

XA规范

Apache ShardingSphere XA分布式事务系列(一) 这里的接口规范特别多，我们只要来讲讲几个最重要的。

xa_start : 在 RM端调用此接口开启一个XA事务，后面需要接上XID 作为参数。
xa_end : 取消当前线程与事务的关联，与 xa_start是配对使用。
xa_prepare : 询问RM 是否已经准备好了提交事务。
xa_commit : 通知RM 提交事务分支。
xa_rollback : 通知RM 提交回滚事务分支。

XA二阶段提交

阶段一 ：TM通知各个RM准备提交它们的事务分支。如果RM判断自己进行的工作可以被提交，那就就对工作内容进行持久化，再给TM肯定答复；要是发生了其他情况，那给TM的都是否定答复。在发送了否定答复并回滚了已经的工作后，RM就可以丢弃这个事务分支信息。
阶段二 ：TM根据阶段1各个RM prepare的结果，决定是提交还是回滚事务。如果所有的RM都prepare成功，那么TM通知所有的RM进行提交；如果有RM prepare失败的话，则TM通知所有RM回滚自己的事务分支。

MySQL对XA协议的支持

MySQL 从5.0.3开始支持XA分布式事务，且只有InnoDB存储引擎支持XA事务。 MySQL 在DTP模型中也是属于资源管理器RM。

MySQL XA 事务的 SQL语法

XA START xid    //开启XA事务，xid是一个唯一值，表示事务分支标识符
XA END xid  //结束一个XA事务，
XA PREPARE xid 准备提交
XA COMMIT xid [ONE PHASE] //提交事务。两阶段提交协议中，如果只有一个RM参与，那么可以优化为一阶段提交
XA ROLLBACK xid  //回滚
XA RECOVER [CONVERT XID]  //列出所有处于PREPARE阶段的XA事务

MySQL xid详解

mysql中使用xid来作为一个事务分支的标识符。通过C语言进行描述，如下：

/∗
∗ Transaction branch identification: XID and NULLXID:
∗/
#define XIDDATASIZE 128  /∗ size in bytes ∗/
#define MAXGTRIDSIZE 64  /∗ maximum size in bytes of gtrid ∗/
#define MAXBQUALSIZE 64  /∗ maximum size in bytes of bqual ∗/
struct xid_t {
    long formatID;     /* format identifier */
    long gtrid_length; /* value 1-64 */
    long bqual_length; /* value 1-64 */
    char data[XIDDATASIZE];
    };
/∗
∗ A value of -1 in formatID means that the XID is null.
∗/
typedef struct xid_t XID;
/∗
∗ Declarations of routines by which RMs call TMs:
∗/
extern int ax_reg(int, XID ∗, long);
extern int ax_unreg(int, long);

gtrid ：全局事务标识符(global transaction identifier)，最大不能超过64字节。
bqual ：分支限定符(branch qualifier)，最大不能超过64字节。
formatId：记录gtrid、bqual的格式，类似于memcached中flags字段的作用。
data ：xid的值，其是 gtrid和bqual拼接后的内容。。

MySQL XA事务状态

Apache ShardingSphere XA分布式事务系列(一)

JTA规范

JTA（Java Transaction API）：为J2EE平台提供了分布式事务服务（distributed transaction）的能力。某种程度上，可以认为JTA规范是XA规范的Java版，其把XA规范中规定的DTP模型交互接口抽象成Java接口中的方法，并规定每个方法要实现什么样的功能。 Apache ShardingSphere XA分布式事务系列(一)

JTA 定义的接口

javax.transaction.TransactionManager : 事务管理器，负责事务的begin, commit，rollback 等命令。
javax.transaction.UserTransaction：用于声明一个分布式事务。
javax.transaction.TransactionSynchronizationRegistry：事务同步注册
javax.transaction.xa.XAResource：定义RM提供给TM操作的接口
javax.transaction.xa.Xid：事务xid接口。

TM provider：

实现UserTransaction、TransactionManager、Transaction、TransactionSynchronizationRegistry、Synchronization、Xid接口，通过与XAResource接口交互来实现分布式事务。

RM provider：

XAResource接口需要由资源管理器者来实现，XAResource接口中定义了一些方法，这些方法将会被TM进行调用，如：
- start方法：开启事务分支
- end方法：结束事务分支
- prepare方法：准备提交
- commit方法：提交
- rollback方法：回滚
- recover方法：列出所有处于PREPARED状态的事务分支

ShardingSphere对XA分布式事务的支持

ShardingSphere针对XA分布式事务的接口以及JTA规范，提供了标准的，基于SPI实现的org.apache.shardingsphere.transaction.spi.ShardingTransactionManager。

public interface ShardingTransactionManager extends AutoCloseable {

    /**
     * Initialize sharding transaction manager.
     *
     * @param databaseType database type
     * @param resourceDataSources resource data sources
     */
    void init(DatabaseType databaseType, Collection<ResourceDataSource> resourceDataSources);

    /**
     * Get transaction type.
     *
     * @return transaction type
     */
    TransactionType getTransactionType();

    /**
     * Judge is in transaction or not.
     *
     * @return in transaction or not
     */
    boolean isInTransaction();

    /**
     * Get transactional connection.
     *
     * @param dataSourceName data source name
     * @return connection
     * @throws SQLException SQL exception
     */
    Connection getConnection(String dataSourceName) throws SQLException;

    /**
     * Begin transaction.
     */
    void begin();

    /**
     * Commit transaction.
     */
    void commit();

    /**
     * Rollback transaction.
     */
    void rollback();
}

对于XA分布式事务的支持的具体实现类为：org.apache.shardingsphere.transaction.xa.XAShardingTransactionManager。在此类中，会调用基于SPI实现的org.apache.shardingsphere.transaction.xa.spi.XATransactionManager，来进行XA事务的管理操作。

总结

在此篇中，我们了解了分布式事务的CAP理论，了解了X/Open的DTP模型，以及XA的接口规范，MySQL对XA协议的支持。最后我们讲解了JTA的规范，以及ShardingSphere对XA事务进行整合的时候定义的SPI接口，这些都是很重要的理论基础，在下一篇，我们将详细来讲解基于AtomkikosXATransactionManager的具体实现，以及源码解析。

作者介绍：肖宇，Apache ShardingSphere Committer，开源hmily分布式事务框架作者，开源soul网关作者，热爱开源，追求写优雅代码。目前就职入京东数科，参与ShardingSphere的开源建设，以及分布式数据库的研发工作。