保证分布式系统数据一致性的6种方案

编者按 ：本文由「高可用架构后花园」群讨论整理而成。

有人的地方，就有江湖

有江湖的地方，就有纷争

在电商等业务中，系统一般由多个独立的服务组成，如何解决分布式调用时候数据的一致性？

具体业务场景如下，比如一个业务 *** 作，如果同时调用服务 A、B、C，需要满足要么同时成功；要么同时失败。A、B、C 可能是多个不同部门开发、部署在不同服务器上的远程服务。

在分布式系统来说，如果不想牺牲一致性，CAP 理论告诉我们只能放弃可用性，这显然不能接受。为了便于讨论问题，先简单介绍下数据一致性的基础理论。

强一致

弱一致性

最终一致性

在工程实践上，为了保障系统的可用性，互联网系统大多将强一致性需求转换成最终一致性的需求，并通过系统执行幂等性的保证，保证数据的最终一致性。但在电商等场景中，对于数据一致性的解决方法和常见的互联网系统（如 MySQL 主从同步）又有一定区别，群友的讨论分成以下 6 种解决方案。

业务整合方案主要采用将接口整合到本地执行的方法。拿问题场景来说，则可以将服务 A、B、C 整合为一个服务 D 给业务，这个服务 D 再通过转换为本地事务的方式，比如服务 D 包含本地服务和服务 E，而服务 E 是本地服务 A ~ C 的整合。

优点： 解决（规避）了分布式事务。

缺点： 显而易见，把本来规划拆分好的业务，又耦合到了一起，业务职责不清晰，不利于维护。

由于这个方法存在明显缺点，通常不建议使用。

此方案的核心是将需要分布式处理的任务通过消息日志的方式来异步执行。消息日志可以存储到本地文本、数据库或消息队列，再通过业务规则自动或人工发起重试。人工重试更多的是应用于支付场景，通过对账系统对事后问题的处理。

消息日志方案的核心是保证服务接口的幂等性。

考虑到网络通讯失败、数据丢包等原因，如果接口不能保证幂等性，数据的唯一性将很难保证。

eBay 方式的主要思路如下。

Base：一种 Acid 的替代方案

此方案是 eBay 的架构师 Dan Pritchett 在 2008 年发表给 ACM 的文章，是一篇解释 BASE 原则，或者说最终一致性的经典文章。文中讨论了 BASE 与 ACID 原则在保证数据一致性的基本差异。

如果 ACID 为分区的数据库提供一致性的选择，那么如何实现可用性呢？答案是

BASE (basically available, soft state, eventually consistent)

BASE 的可用性是通过 支持局部故障 而不是系统全局故障来实现的。下面是一个简单的例子：如果将用户分区在 5 个数据库服务器上，BASE 设计鼓励类似的处理方式，一个用户数据库的故障只影响这台特定主机那 20% 的用户。这里不涉及任何魔法，不过它确实可以带来更高的可感知的系统可用性。

文章中描述了一个最常见的场景，如果产生了一笔交易，需要在交易表增加记录，同时还要修改用户表的金额。这两个表属于不同的远程服务，所以就涉及到分布式事务一致性的问题。

文中提出了一个经典的解决方法，将主要修改 *** 作以及更新用户表的消息 放在一个本地事务 来完成。同时为了避免重复消费用户表消息带来的问题，达到多次重试的幂等性， 增加一个更新记录表 updates_applied 来记录已经处理过的消息。

系统的执行伪代码如下

（点击可全屏缩放图片）

基于以上方法，在第一阶段，通过本地的数据库的事务保障，增加了 transaction 表及消息队列 。

在第二阶段，分别读出消息队列（但不删除），通过判断更新记录表 updates_applied 来检测相关记录是否被执行，未被执行的记录会修改 user 表，然后增加一条 *** 作记录到 updates_applied，事务执行成功之后再删除队列。

通过以上方法，达到了分布式系统的最终一致性。进一步了解 eBay 的方案可以参考文末链接。

随着业务规模不断地扩大，电商网站一般都要面临拆分之路。就是将原来一个单体应用拆分成多个不同职责的子系统。比如以前可能将面向用户、客户和运营的功能都放在一个系统里，现在拆分为订单中心、代理商管理、运营系统、报价中心、库存管理等多个子系统。

拆分首先要面临的是什么呢？

最开始的单体应用所有功能都在一起，存储也在一起。比如运营要取消某个订单，那直接去更新订单表状态，然后更新库存表就 ok 了。因为是单体应用，库在一起，这些都可以在一个事务里，由关系数据库来保证一致性。

但拆分之后就不同了，不同的子系统都有自己的存储。比如订单中心就只管理自己的订单库，而库存管理也有自己的库。那么运营系统取消订单的时候就是通过接口调用等方式来调用订单中心和库存管理的服务了，而不是直接去 *** 作库。这就涉及一个『 分布式事务 』的问题。

分布式事务有两种解决方式

1. 优先使用异步消息。

上文已经说过，使用异步消息 Consumer 端需要实现幂等。

幂等有两种方式， 一种方式是业务逻辑保证幂等 。比如接到支付成功的消息订单状态变成支付完成，如果当前状态是支付完成，则再收到一个支付成功的消息则说明消息重复了，直接作为消息成功处理。

另外一种方式如果业务逻辑无法保证幂等，则要增加一个去重表或者类似的实现 。对于 producer 端在业务数据库的同实例上放一个消息库，发消息和业务 *** 作在同一个本地事务里。发消息的时候消息并不立即发出，而是向消息库插入一条消息记录，然后在事务提交的时候再异步将消息发出，发送消息如果成功则将消息库里的消息删除，如果遇到消息队列服务异常或网络问题，消息没有成功发出那么消息就留在这里了，会有另外一个服务不断地将这些消息扫出重新发送。

2. 有的业务不适合异步消息的方式，事务的各个参与方都需要同步的得到结果。 这种情况的实现方式其实和上面类似，每个参与方的本地业务库的同实例上面放一个事务记录库。

比如 A 同步调用 B，C。A 本地事务成功的时候更新本地事务记录状态，B 和 C 同样。如果有一次 A 调用 B 失败了，这个失败可能是 B 真的失败了，也可能是调用超时，实际 B 成功。则由一个中心服务对比三方的事务记录表，做一个最终决定。假设现在三方的事务记录是 A 成功，B 失败，C 成功。那么最终决定有两种方式，根据具体场景：

对 b 场景做一个特殊说明：比如 B 是扣库存服务，在第一次调用的时候因为某种原因失败了，但是重试的时候库存已经变为 0，无法重试成功，这个时候只有回滚 A 和 C 了。

那么可能有人觉得在业务库的同实例里放消息库或事务记录库，会对业务侵入，业务还要关心这个库，是否一个合理的设计？

实际上可以依靠运维的手段来简化开发的侵入，我们的方法是让 DBA 在公司所有 MySQL 实例上预初始化这个库，通过框架层（消息的客户端或事务 RPC 框架）透明的在背后 *** 作这个库，业务开发人员只需要关心自己的业务逻辑，不需要直接访问这个库。

总结起来，其实两种方式的根本原理是类似的，也就是 将分布式事务转换为多个本地事务，然后依靠重试等方式达到最终一致性 。

交易创建的一般性流程

我们把交易创建流程抽象出一系列可扩展的功能点，每个功能点都可以有多个实现（具体的实现之间有组合/互斥关系）。把各个功能点按照一定流程串起来，就完成了交易创建的过程。

面临的问题

每个功能点的实现都可能会依赖外部服务。那么如何保证各个服务之间的数据是一致的呢？比如锁定优惠券服务调用超时了，不能确定到底有没有锁券成功，该如何处理？再比如锁券成功了，但是扣减库存失败了，该如何处理？

方案选型

服务依赖过多，会带来管理复杂性增加和稳定性风险增大的问题。试想如果我们强依赖 10 个服务，9 个都执行成功了，最后一个执行失败了，那么是不是前面 9 个都要回滚掉？这个成本还是非常高的。

所以在拆分大的流程为多个小的本地事务的前提下，对于非实时、非强一致性的关联业务写入，在本地事务执行成功后，我们选择发消息通知、关联事务异步化执行的方案。

消息通知往往不能保证 100% 成功；且消息通知后，接收方业务是否能执行成功还是未知数。前者问题可以通过重试解决；后者可以选用事务消息来保证。

所以目前只剩下需要实时同步做、有强一致性要求的业务场景了。在交易创建过程中，锁券和扣减库存是这样的两个典型场景。

要保证多个系统间数据一致，乍一看，必须要引入分布式事务框架才能解决。但引入非常重的类似二阶段提交分布式事务框架会带来复杂性的急剧上升；在电商领域，绝对的强一致是过于理想化的，我们可以选择准实时的最终一致性。

我们在交易创建流程中， 首先创建一个不可见订单 ，然后在同步调用锁券和扣减库存时，针对调用异常（失败或者超时），发出废单消息到MQ。如果消息发送失败，本地会做时间阶梯式的异步重试；优惠券系统和库存系统收到消息后，会进行判断是否需要做业务回滚，这样就准实时地保证了多个本地事务的最终一致性。

业界常用的还有支付宝的一种 xts 方案，由支付宝在 2PC 的基础上改进而来。主要思路如下，大部分信息引用自官方网站。

分布式事务服务简介

分布式事务服务 (Distributed Transaction Service, DTS) 是一个分布式事务框架，用来保障在大规模分布式环境下事务的最终一致性。DTS 从架构上分为 xts-client 和 xts-server 两部分，前者是一个嵌入客户端应用的 JAR 包，主要负责事务数据的写入和处理；后者是一个独立的系统，主要负责异常事务的恢复。

核心特性

传统关系型数据库的事务模型必须遵守 ACID 原则。在单数据库模式下，ACID 模型能有效保障数据的完整性，但是在大规模分布式环境下，一个业务往往会跨越多个数据库，如何保证这多个数据库之间的数据一致性，需要其他行之有效的策略。在 JavaEE 规范中使用 2PC (2 Phase Commit, 两阶段提交) 来处理跨 DB 环境下的事务问题，但是 2PC 是反可伸缩模式，也就是说，在事务处理过程中，参与者需要一直持有资源直到整个分布式事务结束。这样，当业务规模达到千万级以上时，2PC 的局限性就越来越明显，系统可伸缩性会变得很差。基于此，我们采用 BASE 的思想实现了一套类似 2PC 的分布式事务方案，这就是 DTS。DTS在充分保障分布式环境下高可用性、高可靠性的同时兼顾数据一致性的要求，其最大的特点是保证数据最终一致 (Eventually consistent)。

简单的说，DTS 框架有如下特性：

以下是分布式事务框架的流程图

实现

与 2PC 协议比较

1. 电商业务

公司的支付部门，通过接入其它第三方支付系统来提供支付服务给业务部门，支付服务是一个基于 Dubbo 的 RPC 服务。

对于业务部门来说，电商部门的订单支付，需要调用

从业务规则上需要同时保证业务数据的实时性和一致性，也就是支付成功必须加积分。

我们采用的方式是同步调用，首先处理本地事务业务。考虑到积分业务比较单一且业务影响低于支付，由积分平台提供增加与回撤接口。

具体的流程是先调用积分平台增加用户积分，再调用支付平台进行支付处理，如果处理失败，catch 方法调用积分平台的回撤方法，将本次处理的积分订单回撤。

(点击图片可以全屏缩放)

2. 用户信息变更

分布式服务对衍生的配套系统要求比较多，特别是我们基于消息、日志的最终一致性方案，需要考虑消息的积压、消费情况、监控、报警等。

In partitioned databases, trading some consistency for availability can lead to dramatic improvements in scalability.

英文版 ： http://queue.acm.org/detail.cfm?id=1394128

中文版： http://article.yeeyan.org/view/167444/125572

感谢李玉福、余昭辉、蘑菇街七公提供方案，其他多位群成员对本文内容亦有贡献。

本文编辑李玉福、Tim Yang，转载请注明来自@高可用架构

在分布式系统中，我们经常遇到多数据副本保持一致的问题，在我们所能找到的资料中该问题讲的很笼统，模模糊糊的，把多个问题或分类糅合在一起，难以理解。在思考和翻阅资料后，通俗地把一致性的问题可分解为2个问题：

1、任何一次修改保证数据一致性。

2、多次数据修改的一致性。

在弱一致性的算法，不要求每次修改的内容在修改后多副本的内容是一致的，对问题1的解决比较宽松，更多解决问题2，该类算法追求每次修改的高度并发性，减少多副本之间修改的关联性，以获得更好的并发性能。例如最终一致性，无所谓每次用户修改后的多副本的一致性及格过，只要求在单调的时间方向上，数据最终保持一致，如此获得了修改极大的并发性能。

在强一致性的算法中，强调单次修改后结果的一致，需要保证了对问题1和问题2要求的实现，牺牲了并发性能。本文是讨论对解决问题1实现算法，这些算法往往在强一致性要求的应用中使用。

解决问题1的方法，通常有两阶段提交算法、采用分布式锁服务和采用乐观锁原理实现的同步方式,下面分别介绍这几种算法的实现原理。

两阶段提交算法

在两阶段提交协议中，系统一般包含两类机器（或节点）：一类为协调者（coordinator），通常一个系统中只有一个；另一类为事务参与者（participants，cohorts或workers），一般包含多个，在数据存储系统中可以理解为数据副本的个数。两阶段提交协议由两个阶段组成，在正常的执行下，这两个阶段的执行过程如下所述：

阶段1：请求阶段（commit-request phase，或称表决阶段，voting phase）。

在请求阶段，协调者将通知事务参与者准备提交或取消事务，然后进入表决过程。在表决过程中，参与者将告知协调者自己的决策：同意（事务参与者本地作业执行成功）或取消（本地作业执行故障）。

阶段2：提交阶段（commit phase）。

在该阶段，协调者将基于第一个阶段的投票结果进行决策：提交或取消。当且仅当所有的参与者同意提交事务协调者才通知所有的参与者提交事务，否则协调者将通知所有的参与者取消事务。参与者在接收到协调者发来的消息后将执行响应的 *** 作。

举个例子：A组织B、C和D三个人去爬长城：如果所有人都同意去爬长城，那么活动将举行；如果有一人不同意去爬长城，那么活动将取消。用2PC算法解决该问题的过程如下：

首先A将成为该活动的协调者，B、C和D将成为该活动的参与者。

阶段1：A发邮件给B、C和D，提出下周三去爬山，问是否同意。那么此时A需要等待B、C和D的邮件。B、C和D分别查看自己的日程安排表。B、C发现自己在当日没有活动安排，则发邮件告诉A它们同意下周三去爬长城。由于某种原因，D白天没有查看邮件。那么此时A、B和C均需要等待。到晚上的时候，D发现了A的邮件，然后查看日程安排，发现周三当天已经有别的安排，那么D回复A说活动取消吧。

阶段2：此时A收到了所有活动参与者的邮件，并且A发现D下周三不能去爬山。那么A将发邮件通知B、C和D，下周三爬长城活动取消。此时B、C回复A“太可惜了”，D回复A“不好意思”。至此该事务终止。

两阶段提交算法在分布式系统结合，可实现单用户对文件（对象）多个副本的修改，多副本数据的同步。其结合的原理如下：

1、客户端（协调者）向所有的数据副本的存储主机（参与者）发送：修改具体的文件名、偏移量、数据和长度信息，请求修改数据，该消息是1阶段的请求消息。

2、存储主机接收到请求后，备份修改前的数据以备回滚，修改文件数据后，向客户端回应修改成功的消息。 如果存储主机由于某些原因（磁盘损坏、空间不足等）不能修改数据，回应修改失败的消息。

3、客户端接收发送出去的每一个消息回应，如果存储主机全部回应都修改成功，向每存储主机发送确认修改的提交消息；如果存在存储主机回应修改失败，或者超时未回应，客户端向所有存储主机发送取消修改的提交消息。该消息是2阶段的提交消息。

4、存储主机接收到客户端的提交消息，如果是确认修改，则直接回应该提交OK消息；如果是取消修改，则将修改数据还原为修改前，然后回应取消修改OK的消息。

5、 客户端接收全部存储主机的回应，整个 *** 作成功。

在该过程中可能存在通信失败，例如网络中断、主机宕机等诸多的原因，对于未在算法中定义的其它异常，都认为是提交失败，都需要回滚，这是该算法基于确定的通信回复实现的，在参与者的确定回复（无论是回复失败还是回复成功）之上执行逻辑处理，符合确定性的条件当然能够获得确定性的结果哲学原理。

分布式锁服务

分布式锁是对数据被外界修改持保守态度，在整个数据处理过程中将数据处于锁定状态，在用户修改数据的同时，其它用户不允许修改。

采用分布式锁服务实现数据一致性，是在 *** 作目标之前先获取 *** 作许可，然后再执行 *** 作，如果其他用户同时尝试 *** 作该目标将被阻止，直到前一个用户释放许可后，其他用户才能够 *** 作目标。分析这个过程，如果只有一个用户 *** 作目标，没有多个用户并发冲突，也申请了 *** 作许可，造成了由于申请 *** 作许可所带来的资源使用消耗，浪费网络通信和增加了延时。

采用分布式锁实现多副本内容修改的一致性问题， 选择控制内容颗粒度实现申请锁服务。例如我们要保证一个文件的多个副本修改一致， 可以对整个文件修改设置一把锁，修改时申请锁，修改这个文件的多个副本，确保多个副本修改的一致，修改完成后释放锁；也可以对文件分段，或者是文件中的单个字节设置锁， 实现更细颗粒度的锁 *** 作，减少冲突。

常用的锁实现算法有Lamport bakery algorithm （俗称面包店算法）， 还有Paxos算法。下面对其原理做简单概述。

Lamport面包店算法

是解决多个线程并发访问一个共享的单用户资源的互斥问题的算法。 由Leslie Lamport（英语：Leslie Lamport）发明。

Lamport把这个并发控制算法可以非常直观地类比为顾客去面包店采购。面包店只能接待一位顾客的采购。已知有n位顾客要进入面包店采购，安排他们按照次序在前台登记一个签到号码。该签到号码逐次加1。根据签到号码的由小到大的顺序依次入店购货。完成购买的顾客在前台把其签到号码归0. 如果完成购买的顾客要再次进店购买，就必须重新排队。

这个类比中的顾客就相当于线程，而入店购货就是进入临界区独占访问该共享资源。由于计算机实现的特点，存在两个线程获得相同的签到号码的情况，这是因为两个线程几乎同时申请排队的签到号码，读取已经发出去的签到号码情况，这两个线程读到的数据是完全一样的，然后各自在读到的数据上找到最大值，再加1作为自己的排队签到号码。为此，该算法规定如果两个线程的排队签到号码相等，则线程id号较小的具有优先权。

把该算法原理与分布式系统相结合，即可实现分步锁。

Paxos算法

该算法比较热门，参见WIKI，http://zh.wikipedia.org/wiki/Paxos%E7%AE%97%E6%B3%95

Paxos算法解决的问题是一个分布式系统如何就某个值(决议)达成一致。一个典型的场景是，在一个分布式数据库系统中，如果各节点的初始状态一致，每个节点都执行相同的 *** 作序列，那么他们最后能得到一个一致的状态。为保证每个节点执行相同的命令序列，需要在每一条指令上执行一个“一致性算法”以保证每个节点看到的指令一致。一个通用的一致性算法可以应用在许多场景中，是分布式计算中的重要问题。节点通信存在两种模型：共享内存(Shared memory)和消息传递(Messages passing)。Paxos算法就是一种基于消息传递模型的一致性算法。BigTable使用一个分布式数据锁服务Chubby，而Chubby使用Paxos算法来保证备份的一致性。

采用乐观锁原理实现的同步

我们举个例子说明该算法的实现原理。如一个金融系统，当某个 *** 作员读取用户的数据，并在读出的用户数据的基础上进行修改时（如更改用户帐户余额），如果采用前面的分布式锁服务机制，也就意味着整个 *** 作过程中（从 *** 作员读出数据、开始修改直至提交修改结果的全过程，甚至还包括 *** 作员中途去煮咖啡的时间），数据库记录始终处于加锁状态，可以想见，如果面对几百上千个并发，这样的情况将导致怎样的后果。

乐观锁机制在一定程度上解决了这个问题。乐观锁，大多是基于数据版本（ Version）记录机制实现。何谓数据版本？即为数据增加一个版本标识，在基于数据库表的版本解决方案中，一般是通过为数据库表增加一个 “version” 字段来实现。读取出数据时，将此版本号一同读出，之后更新时，对此版本号加一。此时，将提交数据的版本数据与数据库表对应记录的当前版本信息进行比对，如果提交的数据版本号大于数据库表当前版本号，则予以更新，否则认为是过期数据。

对于上面修改用户帐户信息的例子而言，假设数据库中帐户信息表中有一个 version 字段，当前值为 1 ；而当前帐户余额字段（ balance ）为 $100 。

*** 作员 A 此时将其读出（version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $50（$100-$50 ）。

在 *** 作员 A *** 作的过程中， *** 作员B也读入此用户信息（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $20 （ $100-$20 ）。

*** 作员 A 完成了修改工作，将数据版本号加一（ version=2 ），连同帐户扣除后余额（ balance=$50 ），提交至数据库更新，此时由于提交数据版本大于数据库记录当前版本，数据被更新，数据库记录 version 更新为 2 。

*** 作员 B 完成了 *** 作，也将版本号加一（ version=2 ）试图向数据库提交数据（ balance=$80 ），但此时比对数据库记录版本时发现， *** 作员 B 提交的数据版本号为 2 ，数据库记录当前版本也为 2 ，不满足 “ 提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略，因此， *** 作员 B 的提交被驳回。这样，就避免了 *** 作员 B 用基于 version=1 的旧数据修改的结果覆盖 *** 作员A 的 *** 作结果的可能。

乐观锁机制与分布式系统相结合上， 我整理了伪代码如下：

obj *** 作的目标

vlaue 修改的值

atom_update_ver 每个目标上的版本，每次修改该值递增

set( obj, value)

{

//从每个节点上取出修改前的对象版本

get original_ver = obj.atom_update_ver from each node

//将值赋到每个节点的obj目标

set obj = value from each node

//条件修改每个节点的obj版本，目标版本加一

//比较和修改 *** 作是原子 *** 作

result = (set obj.atom_update_ver = original_ver + 1

where original_ver + 1 > obj.atom_update_ver

for each node)

if(result == ok)

return set_ok

else

return set(obj, value)//不成功递归修改

该算法未考虑节点下线、失效等问题，在后续我将分析采用乐观锁原理实现一致性算法，解决问题2、节点失效、通信失败等问题。

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