【干货】Kafka 事务特性分析（上）

特性背景

消息事务是指一系列的生产、消费操作可以要么都完成，要么都失败，类似数据库的事务。这个特性在 0.10.2 的版本是不支持的，从 0.11 版本开始才支持。华为云 DMS 率先提供 Kafka 1.1.0 的专享版服务，支持消息事务特性。

支持事务消息有什么作用？消息事务是实现分布式事务的一种方案，可以确保分布式场景下的数据最终一致性。例如最常用的转账场景，小王 转账到小明，实际操作是小王账户减去相应金额，小明的账户增加相应金额，在分库分表的前提下，2 个账户存储在不同的数据库中，这时需要分布式事务才能保证数据库一致性，单个数据库的事务无法保证跨库之间的原子性。如果小王账户先扣钱，再去发送消息到小明所在的数据库去通知增加钱，在没有事务消息的情况下，无论是先扣钱或者先发送通知增加钱，都会有数据不一致的问题，因为无法保证两者的原子性。而有了事务消息，可以保证发送通知与本地事务（扣钱）是一个原子操作，本地事务与发送通知可以同时成功或者同时失败，确保数据一致。

除了数据最终一致性外，还实现了消息 Exactly once 语义。所谓 Exactly once 语义是消息传递语义中最难实现的一种，包括 At most once：最多一次（不会重复，但是可能丢失数据）； At least once：至少投递一次（不会丢失，但是会导致重复）和 Exactly once: 刚好一次（不丢不重），也即幂等性。Kafka 的幂等性可以保证生产只对一个分区实现 Exactl once 语义，需要多个分区也实现这个语义，还需要引入消息事务确保原子性。

分布式事务介绍

当前系统架构主流是分布式架构与微服务架构，在这种架构下数据源不是单一的数据库，业务逻辑往往需要在多个数据库中实现原子操作，单个数据库中的强大的本地事务无法保证多节点原子操作。 此时需要分布式事务来确保数据的一致性。目前使用较多的分布式事务解决方案有几种：

01 XA 事务：两阶段/三阶段提交

XA 是由 X/Open 组织提出的分布式事务的规范。XA 规范主要定义了(全局)事务管理器(Transaction Manager)和(局部)资源管理器(Resource Manager)之间的接口。XA 接口是双向的系统接口，在事务管理器（Transaction Manager）以及一个或多个资源管理器（Resource Manager）之间形成通信桥梁。实现 XA 事务的关键是两阶段和三阶段提交协议。

两阶段提交协议（Two-phase Commit，2PC）经常被用来实现分布式事务。一般分为协调器 C 和若干事务参与者 Si 两种角色，这里的事务参与者就是具体的数据库，协调器可以和事务参与者在一台机器上，如下图

二阶段提交协议主要包括由 2 个阶段：第一个阶段为准备阶段（prepare），第二阶段为提交阶段。准备阶段由事务协调者向事务参与者发送 prepare 消息，各个参与者处理本地事务但不提交，然后向事务协调者返回事务状态。 提交阶段根据准备阶段各参与者的执行请求，协调者确定事务是提交或者回滚，向各个参与者发送命令。

二阶段提交协议主要的问题是在提交执行过程中，所有的参与者都需要听从协调者的统一调度，期间处于阻塞状态而不能从事其他操作，这样效率及其低下。特别是当协调者发出提交通知到部分参与者后宕机，其他参与者就会阻塞。

针对二阶段提交存在的问题，三阶段提交协议在 prepare 与 commit 阶段之间增加一个 pre-commit 阶段。Prepare 阶段只询问参与者而不做事务，而在 pre-commit 阶段各个参与者才会执行本地事务但不提交。Commit 阶段就是直接提交。这样做可以避免二阶段当协调者迟迟没有发出 commit 或者 rollback 通知，参与者在超时后可以自行提交或者回滚，避免阻塞事务（这是因为经过了 prepare 阶段已经确认了各个参与者是可以执行的，最后第三阶段直接执行即可）。 三阶段提交也存在很多问题，也不能完全保证数据一致，完全一致需要用到 Paxos 算法。

02 TCC 补偿性事务解决方案

TCC 分别对应 Try、Confirm 和 Cancel 三种操作，含义如下：

• Try：预留业务资源

• Confirm：确认执行业务操作，执行事务

• Cancel：取消执行业务操作

TCC 解决了跨应用业务操作的原子性问题，在诸如组合支付、账务拆分场景非常实用。TCC 实际上把数据库层的二阶段提交上提到了应用层来实现，对于数据库来说是一阶段提交，规避了数据库层的 2PC 性能低下问题。TCC 需要业务提供使用，开发复杂和成本高。

03 事务消息

基于消息中间件的事务消息来完成分布式事务。事务消息可以确保本地执行事务与消息发送是原子的：先发送一条消息到消息中间件，然后执行本地事务，当本地事务成功后再发送提交确认到消息中间件，然后这条消息才能被其他业务消费者所能感知，从而确保原子性。

本文转载自公众号中间件小哥（ID：huawei_kevin）。

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