谈谈二阶段提交在MySQL中的广义应用

- 二阶段提交介绍 -

2PC全称是Two-PhaseCommit，翻译过来是二阶段提交，是分布式事务XA规范（XA规范是X/Open DTP定义的交易中间件与数据库之间的接口规范）的实现思路，满足CAP理论的CP，是强一致性事务。

二阶段提交将分布式事务分成二个阶段，表决阶段（Commit-Request-Phase）和提交阶段（Commit Phase）。角色分为:

• 事务发起者(AP)：定义事务边界（开始、结束），并操作事务边界内的资源。
• 事务协调者(TM)：负责管理事务（提交、回滚），监控事务执行进度，分为事务唯一标识
• 事务参与者(RM)：根据“事务协调者”命令进行操作，管理本地共享资源，记录执行日志

表决阶段：

• TM：对RM发送Prepare指令，等待RM的回执（ACK）
• RM：接收TM发送的指令，锁定资源，执行事务操作，但不提交。记录撤销日志和重做日志，如果事务执行成功，回复“是”；如失败，回复“否”

提交阶段：

• TM：如果接收到了所有RM的“是”回执，发送Commit给RM；如果在超时时间内有RM没有任何回执，或者有RM回复了“否”,发送Rollback给RM。
• RM：根绝TM发送的指令执行Commit或者Rollback操作,针对Rollback操作，RM使用表决阶段记录的撤销日志。操作完成后给TM发送回执“OK”。如果收不到指令，一直等待。

- 二阶段提交的应用 -

在分布式系统中，由于软件或者硬件的原因，导致两个进程之间的数据出现不一致问题。不一致问题的其中一个解决思路就是分布式事务，针对数据强一致性的需求场景，二阶段提交可以满足。

- MySQL中binlog和redo log的二阶段提交广义应用 -

MySQL的双日志（binlog 和 redo log）记录采用二阶段提交保证数据的强一致性。

binlog是由MySQL Server层记录，与任何存储引擎无关。binlog主要记录的是操作日志，有三种格式：Statement、Row、Mixedlevel。binlog的主要用途是故障恢复、主从同步。

redo log是由Innodb存储引擎记录，磁盘的最小单位是⻚，MySQL的记录是以⻚为单位存取的，redo log记录的是针对⻚上的修改日志。redo log的主要用途是进程崩溃恢复，主要用来恢复⻚上的数据。binlog无法修复⻚上的数据，所以redo log不能省掉。

如果不使用二阶段提交模式，会出现什么问题呢：MySQL为了保证事务持久性，采用的是WAL机制。正常情况下binlog和redo log中都有事务开始和结束标识。如果binlog和redo log都是直接同步写入磁盘方式，即write + fsync方式。事务执行期间，每次都要写一次磁盘，TPS非常低，所以数据库不会这么设计。binlog和redo log在事务执行期间只写内存，当前链接线程不会主动去刷新到磁盘。接收到commit请求之后，当前才将binlog和redo log刷新到磁盘。

• 如果是先写binlog 再写 redo log。当binlog写入成功后,redo log未写入成功，主节点宕机，此时分两个状态：

1. 事务执行中，由于Innodb存储引擎的恢复是基于redo log的，此时master和slave都没有该数据，数据是一致的。
2. 事务已提交，master基于redo log的恢复后的数据和slave中的数据会出现不一致问题。

• 如果先写redo log再写binlog。当redo log写入成功后，主节点宕机，此时分两种状态：

1. 事务执行中，由于当前事务没有提交，基于redo log恢复，未提交的时候不会写入，slave和master都没有该数据，数据是一致的。
2. 事务已提交，redo log的事务已提交，binlog 记录的事务没有提交，master节点重启后，该数据会写入master节点，而slave节点没有，数据不一致。

综上所述，只有事务处于已提交状态的情况下，才会出现数据不一致问题。为了保证数据一致性。事务提交时，redo log和binlog的Commit操作需要在同一个事务里，由于binlog和redo log由不同的层记录，需要分布式事务，为了保证数据一致性，二阶段提交满足这样的需求场景。

如图，可以看到redo log的写入有两个阶段，Prepare阶段和Commit阶段，Connect Client扮演事务发起者（AP），MySQL Server扮演事务协调者（TM），binlog和 redo log扮演事务参与者（RM）。redo log和 binlog既然是在同一个事务里，需要有一个事务id标识，即binlog文件中的Xid。

我们再分析一下基于二阶段提交方式的故障恢复过程。如果写redo log 处于Prepare阶段，主节点宕机（图中的①）。此时redo log 和binlog 都没有Commit标识，master崩溃恢复的时候此时事务会回滚，binlog没有写入，不会传输给slave。所以master和slave数据是一致的。

如果写binlog成功，主节点宕机（图中的②）。master崩溃恢复的时候，先判断redo log的状态（redo log处于prepare阶段时就要写入磁盘，否则崩溃无法恢复），此时没有Commit标识，会通过Xid判断当前事务在binlog中的状态，此时redo log有Commit标识（COMMIT或Xid event），直接提交。binlog已经写入，数据已同步给slave。所以master和slave的数据是一致的。

- MySQL二阶段提交特殊性 -

表决阶段：

• 常规二阶段提交协议中，TM发个Prepare信息给RM是串行有序的。
• MySQL中，Server 先发给redo log 进行Prepare fsync操作（数据写入磁盘）

提交阶段：

• 常规二阶段提交协议中，TM发个Commit信息给RM是无序的，不用关注RM发送的先后顺序。
• MySQL的二阶段，Server 先发给binLog 进行write + fsync进行合并操作，然后在通知redo log进行Commit。

设计优点

• 少一次交互(对于分布式事务来说就少一次网络io)
• 少一次持久化操作(少一次磁盘io)

总结：该机制名字叫最末参与者优化。

- 作者介绍 -

李凯 架构师一枚，现就职于快乐茄(原茄子快传)。主持设计过广告系统DSP平台、IM产品、百亿级Push平台。研究方向是分布式场景下架构设计。