DistributedSystem Database

【Distributed System】分布式事务 - 三阶段提交协议（Three-phase Commit Protocol）

Posted by 西维蜀黍 on 2019-01-09, Last Modified on 2023-03-29

三阶段提交协议（Three-phase Commit Protocol）

In computer networking and databases, the three-phase commit protocol (3PC) is a distributed algorithm which lets all nodes in a distributed system agree to commit a transaction. It is a more failure-resilient refinement of the two-phase commit protocol (2PC).

与两阶段提交不同的是，三阶段提交有两个改动点：

  1. 引入超时机制 - 同时在 coordinator 和 participant 中都引入超时机制。这保证了 participant 的事务锁在指定时间后会被自动释放（release），从而避免了因锁长期被占用导致查询性能下降的情况
  2. 把两阶段提交协议的第一个阶段（Voting Phase）拆分成了两个独立的阶段（CanCommit 和 PreCommit），以保证在最后提交阶段之前，各个 participant 的状态是一致的。

三段提交的核心理念是：在询问的时候并不锁定资源，除非所有人都同意了，才开始锁资源。

理论上来说，如果第一阶段所有的结点返回成功，那么有理由相信成功提交的概率很大。这样一来，可以降低参与者Cohorts的状态未知的概率。也就是说，一旦参与者收到了PreCommit，意味他知道大家其实都同意修改了。

所谓的三个阶段分别是：

  • 第一阶段 - 询问：CanCommit
  • 第二阶段 - 锁定资源（预提交事务）：PreCommit
  • 第三阶段 - 真正提交：DoCommit

三阶段提交的过程

阶段一 - CanCommit

事务询问

3PC 的 CanCommit 阶段其实和2PC的 Voting Phase 很像，即 coordinator 向 participant 发送 commit 请求，以询问是否可以执行事务提交操作。

但与 2PC 中的 Voting Phase 的区别是， 3PC的 CanCommit 阶段并不真正让 participant 执行“预提交本地事务”（而是检查是否能够正常“预提交本地事务”）。

响应反馈

participant 接到 CanCommit 请求之后，正常情况下，如果其自身认为可以顺利执行“预提交事务”（但不会真正执行预提交），则返回 Yes 响应，并进入预备状态；否则反馈 No。

阶段二 - PreCommit

coordinator 在得到所有 participant 的响应之后，会根据其响应结果执行下面任一一种操作：

  1. 执行事务预提交
  2. 中断事务

如果在超时时间后，仍然没有收到所有 participant 的响应，也会中断全局事务。

情况1 - 执行事务预提交

  1. coordinator 发送预提交请求 - coordinator 向所有 participant 发出 preCommit 的请求，以使得 participant 进入prepared 状态。
  2. participant 预提交事务 - participant 收到 preCommit 请求后，会提交事务，对应 2PC 准备阶段中的 “执行事务”，也会 Undo 和 Redo 信息记录到本地的事务日志中。
  3. 各 participant 响应反馈 - 如果这个 participant 成功执行了事务，就反馈 ACK 响应，同时等待指令：提交（commit） 或终止（abort）。

情况2 - 中断事务

  1. coordinator 向所有 participant 发送 abort 请求或者超时了
  2. participant 中断事务 - participant 如果收到 abort 请求或者超时，就会中断事务。

阶段三 - DoCommit

该阶段 participant 会真正 commit 本地事务，具体分为以下两种情况：

  • commit 本地事务
  • abort 本地事务

情况1 - commit 全局事务

如果 coordinator 发送了 commit 请求，且 commit 请求到达了每一个 participant，或者在达到超时时间后，participant 没有收到 coordinator 的 DoCommit（commit 或者 rollback）

  1. coordinator 发送 commit 请求 - coordinator 在接收到各 participant 发送的 ACK 响应后，他将从预提交状态（PreCommit）进入到提交状态（DoCommit），并向所有 participant 发送 doCommit 请求。
  2. participant commit 本地事务 - participant 接收到 doCommit 请求之后，commit 本地事务。并在完成事务提交之后释放所有事务资源。
  3. participant 响应反馈 - participant commit 本地事务之后， participant 向 coordinator 发送 ACK 响应。
  4. 完成事务 - coordinator 接收到所有 participant 的 ACK 响应之后，完成全局事务。

值得强调的是，在达到超时时间后，participant 没有收到 coordinator 的 DoCommit，3PL 会仍然提交，而不是让 participant 的本地事务继续被阻塞（直到收到 coordinator 发来的 commit）

  • 这适当缓解了 participant 的本地事务继续被阻塞的时长和可能性
  • 但仍然无法完全避免数据的不一致

情况2 - abort 全局事务

如果 coordinator 收到的 participant 的 ACK 不是 Yes，就会中断全局事务：

  1. coordinator 发送 abort请求 - coordinator 向所有 participant 发送 rollback 请求
  2. participant 回滚事务 - participant 接收到 rollback 请求之后，利用其在PreCommit阶段记录的 undo 信息来执行事务的回滚操作，并在完成回滚之后释放所有的事务资源
  3. participant 反馈结果 - participant 完成事务回滚之后，向 coordinator 发送 ACK 消息。
  4. coordinator abort 全局事务 - coordinator 接收到每一个 participant 反馈的 ACK 消息之后，完成全局事务的中断。

三阶段提交的优缺点

优点

相对于二阶段提交，三阶段提交主要解决的单点故障问题，并减少了阻塞的时间。

  • 具体来说，因为一旦 participant 无法及时收到来自 coordinator 的 DoCommit 信息（commit 或者 rollback），他会默认执行 commit。而不会一直持有事务资源并处于阻塞状态，直到收到DoCommit 信息才结束阻塞。

缺点

三阶段提交也会导致数据一致性问题。由于网络原因， coordinator 发送的 abort 响应没有及时被 participant 接收到，那么 participant 在超时达到之前，都不会执行 rollback 操作：

  • 这里可能出现两种情况，如果participant 在超时达到时，仍没有收到 coordinator 发送的 DoCommit 信息，则执行 commit（这点和 2PL 不同）；如果 participant 在超时达到之前，收到了 DoCommit 信息，那当然基于信息中的内容来执行

这样就和其他接到 abort 命令并执行回滚的 participant 之间存在数据不一致的情况。

总结来说，三阶段提交中是否会发生 participant 的本地事务被阻塞，依赖于 participant 到这个 participant 的网络的高可用性。而在分布式系统中，网络往往有可能会出问题。因此这个缺点其实是相对于有多个 node 都去通知这个 participant 的情况而言的，在后者的情况中，我们假设多个 node 到这个 participant 的网络都发生故障的概率是更低的（事实上未必一定是这样），因此本地事务资源并处于阻塞状态的时长会相对更短。

Reference

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