分布式与一致性协议之MySQL XA协议

MySQL XA协议

概述

相信很多人都知道MySQL支持单机事务，那么在分布式系统中，涉及多个节点，MySQL又是怎样实现分布式事务的呢？
举个例子，一个业务系统需要接收来自外部的指令，然后访问多个内部其他系统来执行指令，但执行完指令后，需要同时更新多个内部MySQL数据库中的值(比如MySQL数据库A、B、C).由于业务敏感，所以系统必须处于一个一致性状态(也就是说，MySQL数据库A、B、C中的值要么同时更新成功，要么全部不更新)，否则会出现有的系统显示指令执行成功，而有的系统显示指令尚未被执行的情况，导致多部门对指令执行结果理解混乱。
那么如何实现多个MySQL数据库更新的一致性呢？答案就是采用MySQL XA.

在我看来，MySQL通过支持XA规范的二阶段提交协议，不仅实现了多个MySQL数据库操作的事务，还能实现MySQL、Oracle、SQL Server等支持XA规范的数据库操作的事务。
通常，理解MySQL XA,不仅要能理解数据层分布式事务的原理，还要能在实际系统中更加深刻地理解二阶段提交协议，这样当你在实际工作中遇到多个MySQL数据库的事务需求时，你就知道如何通过MySQL XA来处理了。

老规矩，咱们先来看一道思考题。
假设有两个MySQL数据A、B(位于不同的服务器节点上),我们需要实现多个数据库更新(比如，UPDATE executed_table SET status=true WHERE id = 100)和插入操作(比如，INSERT INTO operation_table SET id = 100,op=‘get-cdn-log’)的事务，如图所示，那么在MySQL中如何实现呢？
MySQL是通过XA规范实现分布式事务的，所以我们有必要先来了解一下XA规范
在这里插入图片描述

什么是XA规范

提到XA规范，就不得不说DTP(Distributed Transaction Processing, 分布式事务处理)模型，因为XA规范约定的是DTP模型中的两个模块(事务管理其和资源管理器)的通信方式，如图所示。https://cdn.processon.com/userId2-663e15c8166b8c6ceb4340a7?e=1715348440&token=trhI0BY8QfVrIGn9nENop6JAc6l5nZuxhjQ62UfM:m5HMjar0byN2-MqjwQM3_VOZ1sA=

为了更好地理解DTP模型,我来解释下DTP各模块的作用。

1.AP:应用程序(Application Program)，一般是指事务的发起者(比如数据库客户端或者访问数据库的程序)，定义事务对应的操作(比如更新操作
UPDATE executed_table SET status = true WHERE id = 100)
2.RM:资源管理器(Resource Manager),管理共享资源，并提供访问接口外部程序来访问共享资源,比如数据库。RM还应该具有事务提交或回滚的能力
3.TM:事务管理器(Transaction Manager),一般指分布式事务的协调者。TM与每个RM进行通信，协调并完成事务的处理。

你是不是觉得这个模型看起来很复杂?其实在我看来，你可以这样理解DTP模型:应用程序访问、使用资源管器的资源，并通过事务管理器的事务接口(TX interface)定义需要执行的事务操作，然后事务管理器和资源管理器会基于XA规范执行二阶段提交协议。

那么XA规范是什么呢？它约定了事务管理器和资源管理器之间双向通信的接口规范，并实现了二阶段提交协议，如图所示。在这里插入图片描述

为了更好地理解这个过程，我们一起走一遍实现流程，以加深印象:

1.AP(应用程序)联系TM(事务管理器)发起全局事务
2.TM调用xa_open()建立与资源管理器的会话
3.TM调用xa_start()标记事务分支(Transaction Branch)的开头
4.AP访问RM(资源管理器)并定义具体事务分值的操作，比如更新一条数据记录(UPDATE executed_table SET status=true WHERE id = 100)和插入一条数据记录(INSERT INTO operation_table SET id =100, op=‘get-cdb-log’);
5.TM调用xa_end()标记事务分支的结尾
6.TM调用xa_prepare()通知RM做好事务分支提交的准备工作，比如锁定相关资源，也就是执行二阶段提交协议的提交执行阶段
7.TM调用xa_commit()通知RM提交事务分支(xa_rollback()通知RM回滚事务)，也就是执行二阶段提交协议的提交执行阶段
8.TM调用xa_close()关闭与RM的会话。

整个过程也许有些复杂，不过你可以这样理解xa_start()和xa_end()在准备和标记事务分支的内容,然后调用xa_prepare()和xa_commit()(或者xa_rollback())执行二阶段提交协议，实现操作的原子性。注意，这些接口需要按照一定顺序执行，比如xa_start()必须在xa_end()之前执行。
另外，事务管理器对资源管理器调用的xa_start()和xa_end()这对组合，一般用于标记事务分支(就像上面的更新一条数据记录和插入一条数据记录)的开头和结尾。需要注意的是:

1.对于同一个资源管理器，根据全局事务的要求，可以前后执行多个操作组合，比如，先标记一个插入操作，再标记一个更新操作；
2.事务管理器只是标记事务，并不执行事务，最终是由应用程序通知资源管理器来执行事务操作的。

另外，XA规范还约定了如何向事务管理器注册和取消资源管理器的API接口(也就是ax_reg()和ax_unreg()接口)。这里需要注意的是，这两个接口是以ax_开头的，而不是像xa_start()那样以xa_开头,我们该如何通过MySQL XA实现分布式事务呢？

如何通过MySQL XA实现分布式事务

首先，你需要创建一个唯一的事务id(比如xid)来唯一标识事务，并调用XA START和XA END来定义事务分支对应的操作(比如
INSERT INTO operation_table SET id = 100, op = ‘get-cdn-log’)，如图所示。在这里插入图片描述

接着，你需要调用XA PREPARE来执行二阶段提交协议的提交请求阶段，如图所示在这里插入图片描述

最后，你需要调用XA COMMIT 来提交事务(或者第哦啊用XA ROLLBACK来回滚事务)，如图所示在这里插入图片描述
，至此，你就实现了全局事务的一致性
从上图所示的流程中可以看到，客户端在扮演事务管理器的角色，而MySQL数据库在扮演资源管理器的角色。但是这压力需要注意，上面流程中的xid必须是唯一值。
另外补充的是，如果你要开启MySQL的XA功能，则必须设置存储引擎为InnoDB，也就是说，在MySQL中，只有InnoDB引擎支持XA规范。d当然，可能有些人对MySQL XA有这样的疑问，能否将XA END和XA PREPARE合并到一起呢？答案是不能，因为在XA END之后，我们是可以直接执行XA COMMIT命令的，也就是一阶段提交(比如当共享资源变更只涉及一个RM时)。最后，我强调一下，MySQL XA性能不高，适合在并发性能要求不高的场景中使用，而我之所以需要采用MySQL XA实现分布式事务，是因为整个系统对并发性能要求不高，而且底层架构是多个第三方的，没办法改造。

注意

XA规范保证了全局事务的一致性，实现成本较低，而且得到了包括MySQL在内的主流数据库的支持。但是因为XA规范是基于二阶段提交协议实现的，所以它也存在二阶段提交协议的局限，列举如下:

1.首先，XA规范存在单点问题，也就是说，因为事务管理器在整个流程中扮演的角色很关键，如果其宕机，比如第一阶段已经完成了，在第二阶段正准备提交的时候，事务管理器宕机了，那么相关的资源会被锁定，无法访问。
2.其次，XA规范存在资源锁定的问题，也就是说，在进入准备阶段后，资源管理器中的资源将处于锁定状态，知道提交完成或者回滚完成才能解锁

思维拓展

虽然MySQL XA能解决数据库操作的一致性问题，但它的性能不高，适用于对并发性能要求不高的场景。那么，在MySQL XA不能满足并发需求是，我们应该如何重新涉及底层数据系统，来避免采用分布式事务呢？为什么呢？
当MySQL XA(即MySQL的分布式事务支持)无法满足并发性能需求时，可以考虑一下集中方法来重新设计底层数据系统，
以避免使用分布式事务并提高性能：

1.业务逻辑分解
1.1.将复杂的分布式事务分解为多个小的事务，每个事务在单个数据库上执行。通常在业务逻辑层面保证一致性，
可以避免使用分布式事务
1.2 使用最终一致性模型，如通过事件队列、发布/订阅机制等异步处理数据一致性问题
2.数据分区。
2.1.将数据水平分区到不同的数据库实例中，减少每个数据库实例上的并发访问压力
2.2.通过分库分表来提高单个数据库实例的性能
3.服务拆分
3.1 采用微服务架构，将系统拆分为多个小的、松耦合的服务，每个服务对应一个数据库实例，从而减少分布式事务的使用
3.2 各服务之间通过异步消息或者补偿事务来维持数据的一致性
4.缓存机制
4.1 使用缓存(如Redis)来减少对数据库的读写压力，提高并发性能
4.2 通过缓存来处理读多写少的场景，减少对数据库的访问
5.读写分离
5.1 实施读写分离，将数据库的读操作和写操作分离到不同的数据库实例，以提高并发读取性能
5.2 写操作仍然保证事务性，而读操作可以不参与事务，从而提高整体性能
6.使用NoSQL数据库
6.1 对于不需要强一致性的部分，可以考虑使用NoSQL数据库，如MongoDB、Cassandra等，它们通常提供更高的并发性能
7.业务流程优化
7.1 优化业务流程，减少事务性操作的一来。例如，通过业务上的妥协，允许一定程度的最终一致性
8.性能优化
8.1 对现有数据库进行性能优化，包括但不限于索引优化、查询优化、硬件升级等
9.避免长事务
9.1 长事务会占用大量资源并可能导致锁定问题，通过涉及更短的事务来减少对系统资源的占用
10.分布式数据库
10.1 考虑使用分布式数据库系统，如Google Spanner 、CockroachDB等，它们在涉及时就考虑了分布式事务的性能

避免使用分布式事务的原因主要包括:

1.性能开销:分布式事务通常涉及多个节点，需要额外的通信和协调，这回增加延迟并降低性能
2.复杂性:分布式事务的管理和调试更加复杂，可能导致难以追踪的问题
3.可用性问题:在分布式系统中，任何节点的故障都可能影响到整个事务，降低了系统的可用性。
因此，在涉及底层数据系统时，应根据业务需求和系统特点，选择合适的策略来避免分布式事务，同时确保系统的高性能和高可用性

重点总结

1.XA规范是个标准的规范，也就是说，无论是否相同的数据库，只要这些数据库(比如MySQL、Oracle、SQL Server)支持XA规范，那么它们就能实现分布式事务，也就是能保证全局事务的一致性
2.相比商业数据库对XA规范的支持，MySQL XA性能不高，所以，我不推荐在高并发的性能至上的场景中使用MySQL XA.
3.在实际开发中，为了降低单点压力，我们通常会根据业务情况进行分库分表，即将表分布在不同的库中，那么在这种情况下，如果后续需要保证全局事务的一致性，则也需要实现分布式事务。

虽然MySQL XA能实现数据层的分布式事务，但会面临这样一个问题：在接收到外部的指令后，需要访问多个内部系统，执行指令约定的操作，而且，必须保证指令执行的原子性，也就是说，要么全部成功，要么全部失败，此时应该怎么做呢？答案是TCC