Apache Ignite 分布式事务原理

Apache Ignite 是一个高性能、集成化和分布式的内存计算平台，支持在大数据量场景下进行 SQL 查询、计算和事务处理。在本文中，我们将深入探讨 Apache Ignite 中分布式事务的实现原理。

使用示例

首先，让我们通过一个简单的示例来了解如何在 Ignite 中使用事务：

// 启动 ignite
try (Ignite ignite = Ignition.start("examples/config/example-ignite.xml")) {
    // 配置
    CacheConfiguration<Integer, Account> cfg = new CacheConfiguration<>(CACHE_NAME);
    cfg.setAtomicityMode(CacheAtomicityMode.TRANSACTIONAL);
    // 创建缓存
    try (IgniteCache<Integer, Account> cache = ignite.getOrCreateCache(cfg)) {
        // 初始化缓存
        cache.put(1, new Account(1, 100));
        // 开启事务
        try (Transaction tx = Ignition.ignite().transactions().txStart(PESSIMISTIC, REPEATABLE_READ)) {
            Account acct = cache.get(acctId);
            assert acct != null;
            // Deposit into account.
            acct.update(amount);
            // Store updated account in cache.
            cache.put(acctId, acct);
            // 提交事务
            tx.commit();
        }
    }
}

两阶段提交协议

Ignite 中的事务基于经典的两阶段提交（2PC）协议实现，确保跨多个节点和缓存的原子性。

两阶段提交协议包括以下两个阶段：

1. 准备阶段（Prepare Phase）：事务协调器向所有参与者发送准备请求，参与者执行事务但不提交，然后向协调器报告是否准备好提交事务。
2. 提交阶段（Commit Phase）：如果所有参与者都准备好，协调器发送提交请求，所有参与者正式提交事务；如果有任何一个参与者未准备好，协调器发送回滚请求。

这种机制确保了分布式事务的一致性，即使在节点故障的情况下也能维持数据完整性。

prepare 阶段
客户端发送一个准备消息（1 Prepare）给事务涉及的所有主节点
主节点获得所有的锁（取决于事务为悲观还是乐观），然后转发准备消息（2 Prepare）给所有的备节点
每个节点会给客户端一个确认（3 ACK, 4 ACK），即所有的锁已经成功获得然后事务准备提交。

commit 阶段
客户端发送提交消息（5 Commit）给事务涉及的所有主节点；
主节点提交事务并且转发提交消息（6 Commit）给所有的备节点，然后备节点提交事务；
每个节点返回事务提交成功的确认消息给客户端（7 ACK, 8 ACK）。

并发模型和隔离级别

事务确保系统从一个一致状态切换到另一个一致状态。在分布式环境中，Ignite 提供了多种并发控制机制和隔离级别。

锁机制

事务依赖于锁机制，锁可以在第一次操作数据时（悲观锁）获得，也可以在事务结束提交之前（乐观锁）获得。

悲观并发模型

悲观并发模型假设会发生冲突，因此在第一次操作数据时就锁定即将要读、写或者修改的所有数据。这种模型适用于高争用场景，可以避免事务冲突导致的回滚。

Ignite 支持以下悲观并发模型的隔离级别：

读已提交（READ_COMMITTED）

在该级别下：

• 锁是在写操作对数据进行任何改变之前获得的，比如 put() 或者 putAll()
• 对于读操作不会获得锁，比如 get() 或者 getAll()

可重复读（REPEATABLE_READ）

在该隔离级别下，读写操作都需要获得锁，确保在事务执行期间，同一数据的多次读取结果一致。

序列化（SERIALIZABLE）

最高的隔离级别，同样要求读写操作都获得锁，确保事务串行执行，完全避免并发问题。

乐观并发模型

与悲观并发模型相反，乐观并发模型假设冲突很少发生，因此延迟了锁的获取，直到事务提交时才检查冲突。这种模型更适合于资源争用较少的应用场景。

乐观并发模型支持与悲观模型相同的隔离级别：

• 读已提交
• 可重复读
• 序列化

故障和恢复

在分布式环境中，节点故障是不可避免的。Ignite 设计了完善的故障恢复机制来处理各种故障场景。

分布式集群由事务协调器、主节点和备份节点组成。按照严重程度递增的顺序，可能的故障类型包括：

备份节点故障

在二阶段提交协议中，有准备和提交阶段。不管是哪个阶段，如果备份节点故障，对 Ignite 都不会产生影响，因为事务会继续在集群中剩余的主备节点上执行。

在所有的活动事务（包括这一个）结束之后，Ignite 会因为节点故障而更新网络拓扑版本，然后选择一个或者多个节点来持有之前故障节点持有的数据。Ignite 会在后台启动再平衡过程来满足所需的数据复制级别。

主节点故障

主节点故障的影响取决于故障发生的时间：

如果故障发生在准备阶段

事务协调器会抛出一个异常，应用需要决定如何处理这个异常以及下一步怎么做，比如是重启事务或其他的异常处理。

如果故障发生在提交阶段

事务协调器会等待来自某个备份节点的特定消息（4 ACK）。当备份节点检测到故障时，它会通知事务协调器事务已经成功提交。这时，因为有备份所以数据没有丢失，并且也不影响应用对数据的访问和使用。

事务协调器完成事务之后，因为主节点故障所以 Ignite 会进行集群的再平衡，它会选举一个新的主节点替代故障的主节点。

事务协调器故障

此时主节点和备份节点只能感知到本地的事务状态，无法知道全局的事务状态。只有部分节点会收到提交消息而其他的收不到。

这个故障场景的解决方案是，节点间互相交换它们的本地事务状态，这样他们就知道了全局事务状态。这时，Ignite 会发起一个恢复协议来处理这种情况，流程比较复杂。

Ignite 持久化层中的事务处理

Ignite 提供了原生持久化功能，可以将数据存储在磁盘上，同时保持内存级的性能。

预写日志（WAL）

开启 Ignite 持久化之后，对于节点上的每个分区，Ignite 会维护一个专用的分区文件。当内存中的数据更新之后，更新不是直接写入对应的分区文件的，而是附加到预写日志（WAL）的末尾。

使用 WAL 与直接更新相比，会有一个显著地性能提升，此外，WAL 在集群或者节点故障时，还提供了一个恢复机制。

WAL 被拆分为若干个文件，叫做段。这些段是按照顺序填充的。默认会创建 10 个段，但是这个数值是可配置的。这些段文件的使用方式是，当第一个段满了之后，它会被复制到 WAL 归档文件，该文件会保持一段可配置的时间，在数据从第一个段复制到归档文件的过程中，第二个段就会处于激活状态，对于每个段文件，这个过程会循环执行。

每个更新首先都会被添加到 WAL，每个更新都会通过缓存 ID 和条目键唯一标识，因此，当故障或者重启时，集群总是能恢复到最近的成功提交的事务或者原子更新。

总结

Apache Ignite 的分布式事务实现基于成熟的两阶段提交协议，并提供了丰富的并发控制机制和故障恢复能力。通过悲观和乐观并发模型、多种隔离级别以及完善的持久化支持，Ignite 能够在保证数据一致性的同时，提供高性能的分布式事务处理能力。

无论是处理简单的键值操作还是复杂的跨多个缓存的事务，Ignite 都能提供可靠的支持，并在节点故障时保证数据的完整性和可用性。