特性背景

消息事務是指一系列的生產(chǎn)、消費操作可以要么都完成，要么都失敗，類似數(shù)據(jù)庫的事務。這個特性在0.10.2的版本是不支持的，從0.11版本開始才支持。華為云DMS率先提供Kafka 1.1.0的專享版服務，支持消息事務特性。

支持事務消息有什么作用？消息事務是實現(xiàn)分布式事務的一種方案，可以確保分布式場景下的數(shù)據(jù)最終一致性。例如最常用的轉(zhuǎn)賬場景，小王 轉(zhuǎn)賬到小明，實際操作是小王賬戶減去相應金額，小明的賬戶增加相應金額，在分庫分表的前提下，2個賬戶存儲在不同的數(shù)據(jù)庫中，這時需要分布式事務才能保證數(shù)據(jù)庫一致性，單個數(shù)據(jù)庫的事務無法保證跨庫之間的原子性。如果小王賬戶先扣錢，再去發(fā)送消息到小明所在的數(shù)據(jù)庫去通知增加錢，在沒有事務消息的情況下，無論是先扣錢或者先發(fā)送通知增加錢，都會有數(shù)據(jù)不一致的問題，因為無法保證兩者的原子性。而有了事務消息，可以保證發(fā)送通知與本地事務(扣錢)是一個原子操作，本地事務與發(fā)送通知可以同時成功或者同時失敗，確保數(shù)據(jù)一致。

除了數(shù)據(jù)最終一致性外，還實現(xiàn)了消息Exactly once語義。所謂Exactly once語義是消息傳遞語義中最難實現(xiàn)的一種，包括At most once：最多一次(不會重復，但是可能丟失數(shù)據(jù))； At least once：至少投遞一次(不會丟失，但是會導致重復)和Exactly once: 剛好一次(不丟不重)，也即冪等性。Kafka的冪等性可以保證生產(chǎn)只對一個分區(qū)實現(xiàn)Exactl once語義，需要多個分區(qū)也實現(xiàn)這個語義，還需要引入消息事務確保原子性。

分布式事務介紹

當前系統(tǒng)架構(gòu)主流是分布式架構(gòu)與微服務架構(gòu)，在這種架構(gòu)下數(shù)據(jù)源不是單一的數(shù)據(jù)庫，業(yè)務邏輯往往需要在多個數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)原子操作，單個數(shù)據(jù)庫中的強大的本地事務無法保證多節(jié)點原子操作。 此時需要分布式事務來確保數(shù)據(jù)的一致性。目前使用較多的分布式事務解決方案有幾種：

1、XA事務：兩階段/三階段提交

XA是由X/Open組織提出的分布式事務的規(guī)范。XA規(guī)范主要定義了(全局)事務管理器(Transaction Manager)和(局部)資源管理器(Resource Manager)之間的接口。XA接口是雙向的系統(tǒng)接口，在事務管理器(Transaction Manager)以及一個或多個資源管理器(Resource Manager)之間形成通信橋梁。實現(xiàn)XA事務的關(guān)鍵是兩階段和三階段提交協(xié)議。

兩階段提交協(xié)議(Two-phase Commit，2PC)經(jīng)常被用來實現(xiàn)分布式事務。一般分為協(xié)調(diào)器C和若干事務參與者Si兩種角色，這里的事務參與者就是具體的數(shù)據(jù)庫，協(xié)調(diào)器可以和事務參與者在一臺機器上，如下圖

二階段提交協(xié)議主要包括由2個階段：第一個階段為準備階段(prepare)，第二階段為提交階段。準備階段由事務協(xié)調(diào)者向事務參與者發(fā)送prepare消息，各個參與者處理本地事務但不提交，然后向事務協(xié)調(diào)者返回事務狀態(tài)。 提交階段根據(jù)準備階段各參與者的執(zhí)行請求，協(xié)調(diào)者確定事務是提交或者回滾，向各個參與者發(fā)送命令。

二階段提交協(xié)議主要的問題是在提交執(zhí)行過程中，所有的參與者都需要聽從協(xié)調(diào)者的統(tǒng)一調(diào)度，期間處于阻塞狀態(tài)而不能從事其他操作，這樣效率及其低下。特別是當協(xié)調(diào)者發(fā)出提交通知到部分參與者后宕機，其他參與者就會阻塞。

針對二階段提交存在的問題，三階段提交協(xié)議在prepare與commit階段之間增加一個pre-commit階段。Prepare階段只詢問參與者而不做事務，而在pre-commit階段各個參與者才會執(zhí)行本地事務但不提交。Commit階段就是直接提交。這樣做可以避免二階段當協(xié)調(diào)者遲遲沒有發(fā)出commit或者rollback通知，參與者在超時后可以自行提交或者回滾，避免阻塞事務(這是因為經(jīng)過了prepare階段已經(jīng)確認了各個參與者是可以執(zhí)行的，最后第三階段直接執(zhí)行即可)。 三階段提交也存在很多問題，也不能完全保證數(shù)據(jù)一致，完全一致需要用到Paxos算法。

2、TCC補償性事務解決方案

TCC分別對應Try、Confirm和Cancel三種操作，含義如下：

- Try：預留業(yè)務資源

- Confirm：確認執(zhí)行業(yè)務操作，執(zhí)行事務

- Cancel：取消執(zhí)行業(yè)務操作

TCC解決了跨應用業(yè)務操作的原子性問題，在諸如組合支付、賬務拆分場景非常實用。TCC實際上把數(shù)據(jù)庫層的二階段提交上提到了應用層來實現(xiàn)，對于數(shù)據(jù)庫來說是一階段提交，規(guī)避了數(shù)據(jù)庫層的2PC性能低下問題。TCC需要業(yè)務提供使用，開發(fā)復雜和成本高。

3、事務消息

基于消息中間件的事務消息來完成分布式事務。事務消息可以確保本地執(zhí)行事務與消息發(fā)送是原子的：先發(fā)送一條消息到消息中間件，然后執(zhí)行本地事務，當本地事務成功后再發(fā)送提交確認到消息中間件，然后這條消息才能被其他業(yè)務消費者所能感知，從而確保原子性。

Kafka消息事務

01基本概念

為了支持事務，Kafka 0.11.0版本引入以下概念：

1.事務協(xié)調(diào)者：類似于消費組負載均衡的協(xié)調(diào)者，每一個實現(xiàn)事務的生產(chǎn)端都被分配到一個事務協(xié)調(diào)者(Transaction Coordinator)。

2.引入一個內(nèi)部Kafka Topic作為事務Log：類似于消費管理Offset的Topic，事務Topic本身也是持久化的，日志信息記錄事務狀態(tài)信息，由事務協(xié)調(diào)者寫入。

3.引入控制消息(Control Messages)：這些消息是客戶端產(chǎn)生的并寫入到主題的特殊消息，但對于使用者來說不可見。它們是用來讓broker告知消費者之前拉取的消息是否被原子性提交。

4.引入TransactionId：不同生產(chǎn)實例使用同一個TransactionId表示是同一個事務，可以跨Session的數(shù)據(jù)冪等發(fā)送。當具有相同Transaction ID的新的Producer實例被創(chuàng)建且工作時，舊的且擁有相同Transaction ID的Producer將不再工作，避免事務僵死。

5.Producer ID：每個新的Producer在初始化的時候會被分配一個唯一的PID，這個PID對用戶是不可見的。主要是為提供冪等性時引入的。

6.Sequence Numbler。(對于每個PID，該Producer發(fā)送數(shù)據(jù)的每個都對應一個從0開始單調(diào)遞增的Sequence Number。

7.每個生產(chǎn)者增加一個epoch：用于標識同一個事務Id在一次事務中的epoch，每次初始化事務時會遞增，從而讓服務端可以知道生產(chǎn)者請求是否舊的請求。

8.冪等性：保證發(fā)送單個分區(qū)的消息只會發(fā)送一次，不會出現(xiàn)重復消息。增加一個冪等性的開關(guān)enable.idempotence，可以獨立與事務使用，即可以只開啟冪等但不開啟事務。

02事務流程

如下圖所示：

1、查找事務協(xié)調(diào)者

生產(chǎn)者會首先發(fā)起一個查找事務協(xié)調(diào)者的請求(FindCoordinatorRequest)。協(xié)調(diào)者會負責分配一個PID給生產(chǎn)者。類似于消費組的協(xié)調(diào)者。

2、獲取produce ID

在知道事務協(xié)調(diào)者后，生產(chǎn)者需要往協(xié)調(diào)者發(fā)送初始化pid請求(initPidRequest)。這個請求分兩種情況：

●不帶transactionID

這種情況下直接生成一個新的produce ID即可，返回給客戶端

●帶transactionID

這種情況下，kafka根據(jù)transactionalId獲取對應的PID，這個對應關(guān)系是保存在事務日志中(上圖2a)。這樣可以確保相同的TransactionId返回相同的PID，用于恢復或者終止之前未完成的事務。

3、啟動事務

生產(chǎn)者通過調(diào)用beginTransaction接口啟動事務，此時只是內(nèi)部的狀態(tài)記錄為事務開始，但是事務協(xié)調(diào)者認為事務開始只有當生產(chǎn)者開始發(fā)送第一條消息才開始。

4、消費和生產(chǎn)配合過程

這一步是消費和生成互相配合完成事務的過程，其中涉及多個請求：

●增加分區(qū)到事務請求

當生產(chǎn)者有新分區(qū)要寫入數(shù)據(jù)，則會發(fā)送AddPartitionToTxnRequest到事務協(xié)調(diào)者。協(xié)調(diào)者會處理請求，主要做的事情是更新事務元數(shù)據(jù)信息，并把信息寫入到事務日志中(事務Topic)。

●生產(chǎn)請求

生產(chǎn)者通過調(diào)用send接口發(fā)送數(shù)據(jù)到分區(qū)，這些請求新增pid，epoch和sequence number字段。

●增加消費offset到事務

生產(chǎn)者通過新增的snedOffsets ToTransaction接口，會發(fā)送某個分區(qū)的Offset信息到事務協(xié)調(diào)者。協(xié)調(diào)者會把分區(qū)信息增加到事務中。

●事務提交offset請求

當生產(chǎn)者調(diào)用事務提交offset接口后，會發(fā)送一個TxnOffsetCommitRequest請求到消費組協(xié)調(diào)者，消費組協(xié)調(diào)者會把offset存儲在__consumer-offsets Topic中。協(xié)調(diào)者會根據(jù)請求的PID和epoch驗證生產(chǎn)者是否允許發(fā)起這個請求。 消費offset只有當事務提交后才對外可見。

5、提交或回滾事務

用戶通過調(diào)用commitTransaction或abortTranssaction方法提交或回滾事務。

●EndTxnRequest

當生產(chǎn)者完成事務后，客戶端需要顯式調(diào)用結(jié)束事務或者回滾事務。前者會使得消息對消費者可見，后者會對生產(chǎn)數(shù)據(jù)標記為Abort狀態(tài)，使得消息對消費者不可見。無論是提交或者回滾，都是發(fā)送一個EndTnxRequest請求到事務協(xié)調(diào)者，寫入PREPARE_COMMIT或者PREPARE_ABORT信息到事務記錄日志中(5.1a)。

●WriteTxnMarkerRequest

這個請求是事務協(xié)調(diào)者向事務中每個TopicPartition的Leader發(fā)送的。每個Broker收到請求后會寫入COMMIT(PID)或者ABORT(PID)控制信息到數(shù)據(jù)日志中(5.2a)。

這個信息用于告知消費者當前消息是哪個事務，消息是否應該接受或者丟棄。而對于未提交消息，消費者會緩存該事務的消息直到提交或者回滾。

這里要注意，如果事務也涉及到__consumer_offsets，即該事務中有消費數(shù)據(jù)的操作且將該消費的Offset存于__consumer_offsets中，Transaction Coordinator也需要向該內(nèi)部Topic的各Partition的Leader發(fā)送WriteTxnMarkerRequest從而寫入COMMIT(PID)或COMMIT(PID)控制信息(5.2a 左邊)。

●寫入最終提交或回滾信息

當提交和回滾信息寫入數(shù)據(jù)日子后，事務協(xié)調(diào)者會往事務日志中寫入最終的提交或者終止信息以表示事務已經(jīng)完成(圖5.3)，此時大部分于事務有關(guān)系的消息都可以被刪除(通過標記后面在日志壓縮時會被移除)，我們只需要保留事務ID以及其時間戳即可。

接口

示例

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的kafka mysql事务_【干货】Kafka 事务特性分析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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