Apache Seata AT 模式事务隔离级别与全局锁设计

title: 详解 Seata AT 模式事务隔离级别与全局锁设计
author: 张乘辉
keywords: [Seata、分布式事务、AT模式、Transaction、GlobalLock]
description: Seata AT 模式的事务隔离是建立在支事务的本地隔离级别基础之上的，在数据库本地隔离级别读已提交或以上的前提下，Seata 设计了由事务协调器维护的全局写排他锁，来保证事务间的写隔离，同时，将全局事务默认定义在读未提交的隔离级别上。
date: 2022/01/12

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前言

Seata AT 模式是一种非侵入式的分布式事务解决方案，Seata 在内部做了对数据库操作的代理层，我们使用 Seata AT 模式时，实际上用的是 Seata 自带的数据源代理 DataSourceProxy，Seata 在这层代理中加入了很多逻辑，比如插入回滚 undo_log 日志，检查全局锁等。

为什么要检查全局锁呢，这是由于 Seata AT 模式的事务隔离是建立在支事务的本地隔离级别基础之上的，在数据库本地隔离级别读已提交或以上的前提下，Seata 设计了由事务协调器维护的全局写排他锁，来保证事务间的写隔离，同时，将全局事务默认定义在读未提交的隔离级别上。

Seata 事务隔离级别解读

在讲 Seata 事务隔离级之前，我们先来回顾一下数据库事务的隔离级别，目前数据库事务的隔离级别一共有 4 种，由低到高分别为：

Read uncommitted：读未提交
Read committed：读已提交
Repeatable read：可重复读
Serializable：序列化

数据库一般默认的隔离级别为读已提交，比如 Oracle，也有一些数据的默认隔离级别为可重复读，比如 Mysql，一般而言，数据库的读已提交能够满足业务绝大部分场景了。

我们知道 Seata 的事务是一个全局事务，它包含了若干个分支本地事务，在全局事务执行过程中（全局事务还没执行完），某个本地事务提交了，如果 Seata 没有采取任务措施，则会导致已提交的本地事务被读取，造成脏读，如果数据在全局事务提交前已提交的本地事务被修改，则会造成脏写。

由此可以看出，传统意义的脏读是读到了未提交的数据，Seata 脏读是读到了全局事务下未提交的数据，全局事务可能包含多个本地事务，某个本地事务提交了不代表全局事务提交了。

在绝大部分应用在读已提交的隔离级别下工作是没有问题的，而实际上，这当中又有绝大多数的应用场景，实际上工作在读未提交的隔离级别下同样没有问题。

在极端场景下，应用如果需要达到全局的读已提交，Seata 也提供了全局锁机制实现全局事务读已提交。但是默认情况下，Seata 的全局事务是工作在读未提交隔离级别的，保证绝大多数场景的高效性。

全局锁实现

AT 模式下，会使用 Seata 内部数据源代理 DataSourceProxy，全局锁的实现就是隐藏在这个代理中。我们分别在执行、提交的过程都做了什么。

1、执行过程

执行过程在 StatementProxy 类，在执行过程中，如果执行 SQL 是 select for update，则会使用 SelectForUpdateExecutor 类，如果执行方法中带有 @GlobalTransactional or @GlobalLock注解，则会检查是否有全局锁，如果当前存在全局锁，则会回滚本地事务，通过 while 循环不断地重新竞争获取本地锁和全局锁。

io.seata.rm.datasource.exec.SelectForUpdateExecutor#doExecute

public T doExecute(Object... args) throws Throwable {
    Connection conn = statementProxy.getConnection();
    // ... ...
    try {
        // ... ...
        while (true) {
            try {
                // ... ...
                if (RootContext.inGlobalTransaction() || RootContext.requireGlobalLock()) {
                    // Do the same thing under either @GlobalTransactional or @GlobalLock, 
                    // that only check the global lock  here.
                    statementProxy.getConnectionProxy().checkLock(lockKeys);
                } else {
                    throw new RuntimeException("Unknown situation!");
                }
                break;
            } catch (LockConflictException lce) {
                if (sp != null) {
                    conn.rollback(sp);
                } else {
                    conn.rollback();
                }
                // trigger retry
                lockRetryController.sleep(lce);
            }
        }
    } finally {
        // ...
    }

2、提交过程

提交过程在 ConnectionProxy#doCommit方法中。

1）如果执行方法中带有@GlobalTransactional注解，则会在注册分支时候获取全局锁：

请求 TC 注册分支

io.seata.rm.datasource.ConnectionProxy#register

private void register() throws TransactionException {
    if (!context.hasUndoLog() || !context.hasLockKey()) {
        return;
    }
    Long branchId = DefaultResourceManager.get().branchRegister(BranchType.AT, getDataSourceProxy().getResourceId(),
                                                                null, context.getXid(), null, context.buildLockKeys());
    context.setBranchId(branchId);
}

TC 注册分支的时候，获取全局锁

io.seata.server.transaction.at.ATCore#branchSessionLock

protected void branchSessionLock(GlobalSession globalSession, BranchSession branchSession) throws TransactionException {
    if (!branchSession.lock()) {
        throw new BranchTransactionException(LockKeyConflict, String
                                             .format("Global lock acquire failed xid = %s branchId = %s", globalSession.getXid(),
                                                     branchSession.getBranchId()));
    }
}

2）如果执行方法中带有@GlobalLock注解，在提交前会查询全局锁是否存在，如果存在则抛异常：

io.seata.rm.datasource.ConnectionProxy#processLocalCommitWithGlobalLocks

private void processLocalCommitWithGlobalLocks() throws SQLException {
    checkLock(context.buildLockKeys());
    try {
        targetConnection.commit();
    } catch (Throwable ex) {
        throw new SQLException(ex);
    }
    context.reset();
}

GlobalLock 注解说明

从执行过程和提交过程可以看出，既然开启全局事务 @GlobalTransactional注解可以在事务提交前，查询全局锁是否存在，那为什么 Seata 还要设计多处一个 @GlobalLock注解呢？

因为并不是所有的数据库操作都需要开启全局事务，而开启全局事务是一个比较重的操作，需要向 TC 发起开启全局事务等 RPC 过程，而@GlobalLock注解只会在执行过程中查询全局锁是否存在，不会去开启全局事务，因此在不需要全局事务，而又需要检查全局锁避免脏读脏写时，使用@GlobalLock注解是一个更加轻量的操作。

如何防止脏写

先来看一下使用 Seata AT 模式是怎么产生脏写的：

注：分支事务执行过程省略其它过程。

业务一开启全局事务，其中包含分支事务A（修改 A）和分支事务 B（修改 B），业务二修改 A，其中业务一执行分支事务 A 先获取本地锁，业务二则等待业务一执行完分支事务 A 之后，获得本地锁修改 A 并入库，业务一在执行分支事务时发生异常了，由于分支事务 A 的数据被业务二修改，导致业务一的全局事务无法回滚。

如何防止脏写？

1、业务二执行时加 @GlobalTransactional注解：