當從傳統(tǒng)的單體應(yīng)用架構(gòu)轉(zhuǎn)移到微服務(wù)架構(gòu)時，特別是涉及數(shù)據(jù)一致性時，數(shù)據(jù)一致性是微服務(wù)架構(gòu)中最困難的部分。傳統(tǒng)的單體應(yīng)用中，一個共享的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫負責(zé)處理數(shù)據(jù)一致性。在微服務(wù)架構(gòu)中，如果使用“每個服務(wù)一個數(shù)據(jù)庫”的模式，那么每個微服務(wù)都有自己的數(shù)據(jù)存儲。
因此，數(shù)據(jù)庫在應(yīng)用程序之間是分布式的。如果每個應(yīng)用程序使用不同的技術(shù)來管理它們的數(shù)據(jù)，比如非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，這種分布式架構(gòu)雖然在數(shù)據(jù)管理方面有許多好處，比如可伸縮性、高可用性、靈活性等，但在數(shù)據(jù)管理方面也存在一些關(guān)鍵問題，比如事務(wù)管理、數(shù)據(jù)一致性/完整性等方面。
問題：分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)一致性
對于單體應(yīng)用程序，通過ACID事務(wù)，一個共享的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫處理并保證數(shù)據(jù)的一致性。ACID 是一個縮寫，具體含義如下：
- A 原子性：事務(wù)的所有步驟要么全部成功，要么全部失敗，沒有部分狀態(tài)，全有或全無。
- C 一致性：事務(wù)結(jié)束時數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)都是一致的。
- I 隔離性：同一時間只有一個事務(wù)可以訪問數(shù)據(jù)，其他事務(wù)必須等待當前事務(wù)完成。
- D 持久性：數(shù)據(jù)在事務(wù)結(jié)束時被持久化到數(shù)據(jù)庫中。
為了保持強數(shù)據(jù)一致性，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持ACID特性。
但在微服務(wù)架構(gòu)中，每個微服務(wù)都有自己的數(shù)據(jù)存儲，并采用不同的技術(shù)。因此，沒有中央數(shù)據(jù)庫，也沒有單一的工作單元。業(yè)務(wù)邏輯被跨越到多個本地事務(wù)中。這意味著你不能在微服務(wù)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)庫之間使用單一的事務(wù)工作單元。但你仍然需要在你的應(yīng)用程序中使用ACID特性。
讓我們用一個簡單的樣例場景來解釋。在一個訂單管理系統(tǒng)中，可能存在庫存管理、支付和訂單管理等服務(wù)。假設(shè)這些服務(wù)都按照微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，并應(yīng)用了“每個服務(wù)一個數(shù)據(jù)庫”的模式。為了完成訂單流程，訂單服務(wù)首先調(diào)用庫存管理服務(wù)進行庫存控制和預(yù)留，訂單中的相關(guān)產(chǎn)品被預(yù)留，以防止賣給其他客戶。第二步是支付步驟。支付服務(wù)負責(zé)支付業(yè)務(wù)。訂單服務(wù)調(diào)用支付服務(wù)，從客戶的信用卡中完成支付。由于每個服務(wù)都是獨立的，對分離的數(shù)據(jù)庫的更新在服務(wù)范圍內(nèi)被提交。最后一步是創(chuàng)建訂單記錄。在這一步中，假設(shè)發(fā)生了技術(shù)錯誤，訂單記錄無法創(chuàng)建，訂單號無法發(fā)送給客戶，但已從客戶那里收到了付款。這里出現(xiàn)了數(shù)據(jù)一致性問題。接下來我會在文章的“可能的解決方案”部分討論在這一點之后可以做些什么。
可能的解決方案
首先，沒有一種單一的解決方案適用于所有情況。根據(jù)具體情況，可以采用不同的解決方案。
解決問題有兩種主要方法：
- 分布式事務(wù)
- 最終一致性
分布式事務(wù)
在分布式事務(wù)中，事務(wù)在兩個或多個資源上執(zhí)行（例如數(shù)據(jù)庫、消息隊列）。通過分布式事務(wù)管理器或協(xié)調(diào)器，跨多個數(shù)據(jù)庫保證數(shù)據(jù)的完整性。
分布式事務(wù)是一個非常復(fù)雜的過程，因為涉及多個資源。
兩階段提交（2PC） 是一種阻塞協(xié)議，用于保證在分布式事務(wù)中所有事務(wù)要么全部成功，要么全部失敗。
XA標準 是2PC分布式事務(wù)的規(guī)范。JTA包括Xtandard API。符合JTA標準的應(yīng)用服務(wù)器支持Xtandard API。但所有資源必須部署到單個JTA平臺才能運行2PC。對于微服務(wù)架構(gòu)來說，這不太合適。
分布式事務(wù)的優(yōu)點：
- 強的數(shù)據(jù)一致性
- 支持ACID特性
分布式事務(wù)的缺點：
- 維護起來非常復(fù)雜
- 由于是阻塞過程（不適合高負載場景），高延遲和低吞吐量
- 事務(wù)之間可能出現(xiàn)死鎖
- 事務(wù)協(xié)調(diào)器是一個單點故障
最終一致性
最終一致性是分布式系統(tǒng)中用于實現(xiàn)高可用性的模型。在一個最終一致性的系統(tǒng)中，允許一段時間的不一致，直到解決分布式數(shù)據(jù)的問題。
這個模型不適用于跨多個微服務(wù)的分布式ACID事務(wù)。最終一致性使用BASE數(shù)據(jù)庫模型。
雖然ACID模型提供了一個一致的系統(tǒng)，但BASE模型提供了高可用性。
BASE這個縮寫代表：
- Basically AvAIlable：通過在數(shù)據(jù)庫集群的節(jié)點之間復(fù)制數(shù)據(jù)來確保數(shù)據(jù)的可用性
- Soft-state：由于缺乏強一致性，數(shù)據(jù)可能隨時間變化。一致性責(zé)任委托給開發(fā)人員。
- Eventual consistency：BASE不可能立即提供一致性，但最終會提供一致性（在短時間內(nèi)）。
SAGA 是一種操作最終一致性模型的常見模式：
(1) 基于協(xié)同的SAGA：在這種情況下，不存在中央?yún)f(xié)調(diào)器。每個服務(wù)在其任務(wù)完成后產(chǎn)生一個事件，并且每個服務(wù)監(jiān)聽事件以采取行動。這種模式需要一個成熟的事件驅(qū)動架構(gòu)。
- 事件溯源：使用事件存儲來存儲事件變化狀態(tài)的方法。事件存儲是充當事件數(shù)據(jù)庫的消息代理。通過重新播放來自事件存儲的事件來重建狀態(tài)。
- 基于協(xié)同的SAGA模式在事務(wù)中步驟較少時可以很好地工作（例如2到4個步驟）。當事務(wù)中的步驟數(shù)量增加時，很難跟蹤哪些服務(wù)監(jiān)聽哪些事件。
(2) 基于編排的SAGA：協(xié)調(diào)器服務(wù)（Saga執(zhí)行編排器，SEG）負責(zé)根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯對事務(wù)進行排序。編排器決定應(yīng)執(zhí)行哪些操作。如果某個操作失敗，編排器會撤銷先前的步驟。這稱為補償操作。補償是在系統(tǒng)保持一致狀態(tài)時發(fā)生故障時要執(zhí)行的操作。
- 當數(shù)據(jù)已被不同的事務(wù)更改時，撤銷更改可能已經(jīng)不可能。
- 補償必須是冪等的，因為在重試機制中可能會被調(diào)用多次。
- 必須小心設(shè)計補償。
有一些可用的框架可以實現(xiàn)Saga編排模式，例如Camunda、Apache Camel。
SAGA的優(yōu)點：
- 在本地原子事務(wù)中執(zhí)行非阻塞操作
- 事務(wù)之間沒有死鎖
- 沒有單點故障
SAGA的缺點：
- 最終的數(shù)據(jù)一致性
- 沒有讀隔離，需要額外的努力（例如，用戶可能會看到操作已完成，但在幾秒鐘后由于補償事務(wù)被取消）
- 當參與服務(wù)數(shù)量增加時，調(diào)試困難
- 開發(fā)成本增加（需要實際服務(wù)開發(fā)以及補償服務(wù)開發(fā)）
- 設(shè)計復(fù)雜
在維護分布式數(shù)據(jù)存儲之間的數(shù)據(jù)一致性可能非常困難。在設(shè)計新應(yīng)用程序時需要有不同的思維方式。我們可以說，數(shù)據(jù)一致性的責(zé)任從數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移到了應(yīng)用程序級別。
選擇哪種解決方案
解決方案取決于使用案例和一致性要求。總的來說，應(yīng)考慮以下設(shè)計考慮因素。
(1) 盡可能避免在微服務(wù)之間使用分布式事務(wù)。使用分布式事務(wù)會帶來更復(fù)雜的問題。
(2) 設(shè)計你的系統(tǒng)，盡可能不要求分布式一致性。為了實現(xiàn)這一點，識別事務(wù)邊界;
- 識別必須在同一工作單元中工作的操作。對于這種類型的操作使用強一致性
- 識別可以容忍一致性方面的可能延遲的操作。對于這種類型的操作使用最終一致性
(3) 考慮使用事件驅(qū)動架構(gòu)進行異步非阻塞服務(wù)調(diào)用
(4) 通過補償和協(xié)調(diào)過程設(shè)計容錯系統(tǒng)，以保持系統(tǒng)的一致性
(5) 最終一致性模式需要在設(shè)計和開發(fā)方面進行思維方式的轉(zhuǎn)變
結(jié)論
微服務(wù)架構(gòu)具有諸如高可用性、可伸縮性、自動化、自治團隊等很多優(yōu)點。為了最大程度地發(fā)揮微服務(wù)架構(gòu)風(fēng)格的效率，傳統(tǒng)方法需要進行一些改變。數(shù)據(jù)和一致性管理是需要仔細設(shè)計的。
