系统分布式情况下最终一致性方案梳理

前言

目前的应用系统，不管是企业级应用还是互联网应用，最终数据的一致性是每个应用系统都要面临的问题，随着分布式的逐渐普及，数据一致性更加艰难，但是也很难有银弹的解决方案，也并不是引入特定的中间件或者特定的开源框架能够解决的，更多的还是看业务场景，根据场景来给出解决方案。根据笔者最近几年的了解，总结了几个点，更多的应用系统在编码的时候，更加关注数据的一致性，这样系统才是健壮的。

基础理论相关

说起事务，目前的几个理论，ACID事务特性，CAP分布式理论，以及BASE等，ACID在数据库事务中体现，CAP和BASE则是分布式事务的理论，结合业务系统，例如订单管理，例如仓储管理等，可以借鉴这些理论，从而解决问题。

• ACID 特性

  • A（原子性）事务的原子操作单元，对数据的修改，要么全部执行，要么全部不执行；
  • C（一致性）在事务开始和完成时，数据必须保持一致状态，相关的数据规则必须应用于事务的修改，以保证数据的完整性，事务结束时，所有的内部数据结构必须正确；
  • I（隔离性）保证事务不受外部并发操作的独立环境执行；
  • D（持久性）事务完成之后，对于数据的修改是永久的，即使系统出现故障也能够保持；

• CAP

  • C（一致性）一致性是指数据的原子性，在经典的数据库中通过事务来保障，事务完成时，无论成功或回滚，数据都会处于一致的状态，在分布式环境下，一致性是指多个节点数据是否一致；
  • A（可用性）服务一直保持可用的状态，当用户发出一个请求，服务能在一定的时间内返回结果；
  • P（分区容忍性）在分布式应用中，可能因为一些分布式的原因导致系统无法运转，好的分区容忍性，使应用虽然是一个分布式系统，但是好像一个可以正常运转的整体

• BASE

  • BA: Basic Availability 基本业务可用性；
  • S: Soft state 柔性状态；
  • E: Eventual consistency 最终一致性；

最终一致性的几种做法

 

单数据库情况下的事务

如果应用系统是单一的数据库，那么这个很好保证，利用数据库的事务特性来满足事务的一致性，这时候的一致性是强一致性的。对于java应用系统来讲，很少直接通过事务的start和commit以及rollback来硬编码，大多通过spring的事务模板或者声明式事务来保证。

基于事务型消息队列的最终一致性

借助消息队列，在处理业务逻辑的地方，发送消息，业务逻辑处理成功后，提交消息，确保消息是发送成功的，之后消息队列投递来进行处理，如果成功，则结束，如果没有成功，则重试，直到成功，不过仅仅适用业务逻辑中，第一阶段成功，第二阶段必须成功的场景。对应上图中的C流程。

基于消息队列+定时补偿机制的最终一致性

前面部分和上面基于事务型消息的队列，不同的是，第二阶段重试的地方，不再是消息中间件自身的重试逻辑了，而是单独的补偿任务机制。其实在大多数的逻辑中，第二阶段失败的概率比较小，所以单独独立补偿任务表出来，可以更加清晰，能够比较明确的直到当前多少任务是失败的。对应上图的E流程。

业务系统业务逻辑的commit/rollback机制

这一点说的话确实不难，commit和rollback是数据库事务中的比较典型的概念，但是在系统分布式情况下，需要业务代码中实现这种，成功了commit，失败了rollback。

业务应用系统的幂等性控制

为啥要做幂等呢？ 原因很简单，在系统调用没有达到期望的结果后，会重试。那重试就会面临问题，重试之后不能给业务逻辑带来影响，例如创建订单，第一次调用超时了，但是调用的系统不知道超时了是成功了还是失败了，然后他就重试，但是实际上第一次调用订单创建是成功了的，这时候重试了，显然不能再创建订单了。

• 查询

查询的API，可以说是天然的幂等性，因为你查询一次和查询两次，对于系统来讲，没有任何数据的变更，所以，查询一次和查询多次一样的。

• MVCC方案

多版本并发控制，update with condition，更新带条件，这也是在系统设计的时候，合理的选择乐观锁，通过version或者其他条件，来做乐观锁，这样保证更新及时在并发的情况下，也不会有太大的问题。例如update tablexxx set name=#name#,version=version+1 where version=#version# ,或者是 update tablexxx set quality=quality-#subQuality# where quality-#subQuality# >= 0 。

• 单独的去重表

如果涉及到的去重的地方特别多，例如ERP系统中有各种各样的业务单据，每一种业务单据都需要去重，这时候，可以单独搞一张去重表，在插入数据的时候，插入去重表，利用数据库的唯一索引特性，保证唯一的逻辑。

• 分布式锁

还是拿插入数据的例子，如果是分布是系统，构建唯一索引比较困难，例如唯一性的字段没法确定，这时候可以引入分布式锁，通过第三方的系统，在业务系统插入数据或者更新数据，获取分布式锁，然后做操作，之后释放锁，这样其实是把多线程并发的锁的思路，引入多多个系统，也就是分布式系统中得解决思路。

• 删除数据

删除数据，仅仅第一次删除是真正的操作数据，第二次甚至第三次删除，直接返回成功，这样保证了幂等。

• 插入数据的唯一索引

插入数据的唯一性，可以通过业务主键来进行约束，例如一个特定的业务场景，三个字段肯定确定唯一性，那么，可以在数据库表添加唯一索引来进行标示。

• API层面的幂等

这里有一个场景，API层面的幂等，例如提交数据，如何控制重复提交，这里可以在提交数据的form表单或者客户端软件，增加一个唯一标示，然后服务端，根据这个UUID来进行去重，这样就能比较好的做到API层面的唯一标示。

• 状态机幂等

在设计单据相关的业务，或者是任务相关的业务，肯定会涉及到状态机，就是业务单据上面有个状态，状态在不同的情况下会发生变更，一般情况下存在有限状态机，这时候，如果状态机已经处于下一个状态，这时候来了一个上一个状态的变更，理论上是不能够变更的，这样的话，保证了有限状态机的幂等。

异步回调机制的引入

A应用调用B，在同步调用的返回结果中，B返回成功给到A，一般情况下，这时候就结束了，其实在99.99%的情况是没问题的，但是有时候为了确保100%，记住最起码在系统设计中100%，这时候B系统再回调A一下，告诉A，你调用我的逻辑，确实成功了。其实这个逻辑，非常类似TCP协议中的三次握手。上图中的B流程。

类似double check机制的确认机制

还是上图中异步回调的过程，A在同步调用B，B返回成功了。这次调用结束了，但是A为了确保，在过一段时间，这个时间可以是几秒，也可以是每天定时处理，再调用B一次，查询一下之前的那次调用是否成功。例如A调用B更新订单状态，这时候成功了，延迟几秒后，A查询B，确认一下状态是否是自己刚刚期望的。上图中的D流程。

总结

上面的几点总结，更多的在业务系统中体现，在超复杂的系统中，数据的一致性，不是说简单的引入啥中间件能够解决的，更多的是根据业务场景，来灵活应对。

评论

5 楼 呵呵6666 2016-10-13  

不错非常好！推荐一个以电商购物支付流程中，在各大参与者系统中可能会遇到分布式事务问题的场景及对应的解决方案文章：http://www.roncoo.com/article/detail/124243

4 楼 jan4984 2016-08-31  

"分布式锁"这节里，如果本身“构建唯一索引比较困难”，那从集中锁管理那边去获取锁的索引也一样困难啊。不知道我理解对不对。

3 楼 xjkwq1qq 2016-07-04  

非常感谢分享，让我对最终一致性的解决方案有了实际的应用

2 楼 a377299 2016-01-20  

写的非常好 但是服务为了容错回滚确认大了很多，如果每个服务都要写这些处理逻辑，感觉复杂了好多，不知道实际处理过程中是否能整出些通用的模块

1 楼 ivan19861025 2015-09-06  

总结的很好