怎么解決分布式場景下數(shù)據(jù)一致性問題?針對這個(gè)問題,今天小編總結(jié)這篇有關(guān)分布式事務(wù)的文章,希望幫助更多想解決這個(gè)問題的同學(xué)找到更加簡單易行的辦法。
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解讀一下這個(gè)流程:
綠色部分,表示流程正常運(yùn)行的交互過程:
先往JobController中提交一個(gè)job(用于故障恢復(fù))
提交成功后,開始處理訂單邏輯
處理完訂單邏輯之后,開始發(fā)送kafka消息
消息也發(fā)送成功后,刪除第一步提交的job
黃色部分,表示流程出現(xiàn)了異常,數(shù)據(jù)可能存在不一致現(xiàn)象。這個(gè)時(shí)候就需要進(jìn)行流程恢復(fù)
JobController任務(wù)控制器定時(shí)去redis查詢延時(shí)任務(wù)列表(每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)時(shí)間戳,按時(shí)間戳排序過濾)
將任務(wù)進(jìn)行恢復(fù)(調(diào)用job注冊時(shí)定義的處理方法)
任務(wù)執(zhí)行成功,表示流程完成;否則下一個(gè)定時(shí)周期重試
問題:
基于redis存儲恢復(fù)任務(wù),可能存在數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)
架構(gòu)體系中沒有統(tǒng)一的分布式事務(wù)規(guī)范,可否將這層邏輯獨(dú)立為分布式事務(wù)中間件
缺少事務(wù)執(zhí)行策略管理,如:控制最大重試次數(shù)等
事務(wù)執(zhí)行狀態(tài)沒有記錄,追查需要去翻看日志
行業(yè)中有什么解決方案
說解決方案之前,我們先了解一下這些方案的理論依據(jù),有助于幫助我們來理解和實(shí)踐這些方案
理論依據(jù)(討論的前提)
本地事務(wù)、分布式事務(wù)
如果說本地事務(wù)是解決單個(gè)數(shù)據(jù)源上的數(shù)據(jù)操作的一致性問題的話,那么分布式事務(wù)則是為了解決跨越多個(gè)數(shù)據(jù)源上數(shù)據(jù)操作的一致性問題。
強(qiáng)一致性、弱一致性、最終一致性
從客戶端角度,多進(jìn)程并發(fā)訪問時(shí),更新過的數(shù)據(jù)在不同進(jìn)程如何獲取的不同策略,決定了不同的一致性。對于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,要求更新過的數(shù)據(jù)能被后續(xù)的訪問都能看到,這是強(qiáng)一致性。如果能容忍后續(xù)的部分或者全部訪問不到,則是弱一致性。如果經(jīng)過一段時(shí)間后要求能訪問到更新后的數(shù)據(jù),則是最終一致性
從服務(wù)端角度,如何盡快將更新后的數(shù)據(jù)分布到整個(gè)系統(tǒng),降低達(dá)到最終一致性的時(shí)間窗口,是提高系統(tǒng)的可用度和用戶體驗(yàn)非常重要的方面。對于分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng):
N — 數(shù)據(jù)復(fù)制的份數(shù)
W — 更新數(shù)據(jù)時(shí)需要保證寫完成的節(jié)點(diǎn)數(shù)
R — 讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候需要讀取的節(jié)點(diǎn)數(shù)
如果W+R>N,寫的節(jié)點(diǎn)和讀的節(jié)點(diǎn)重疊,則是強(qiáng)一致性。例如對于典型的一主一備同步復(fù)制的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,N=2,W=2,R=1,則不管讀的是主庫還是備庫的數(shù)據(jù),都是一致的。
如果W+R<=N,則是弱一致性。例如對于一主一備異步復(fù)制的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,N=2,W=1,R=1,則如果讀的是備庫,就可能無法讀取主庫已經(jīng)更新過的數(shù)據(jù),所以是弱一致性。
CAP理論
分布式環(huán)境下(數(shù)據(jù)分布)要任何時(shí)刻保證數(shù)據(jù)一致性是不可能的,只能采取妥協(xié)的方案來保證數(shù)據(jù)最終一致性。這個(gè)也就是著名的CAP定理
需要明確的一點(diǎn)是,對于一個(gè)分布式系統(tǒng)而言,分區(qū)容錯性是一個(gè)最基本的要求。因?yàn)?既然是一個(gè)分布式系統(tǒng),那么分布式系統(tǒng)中的組件必然需要被部署到不同的節(jié)點(diǎn),否則也就無所謂分布式系統(tǒng)了,因此必然出現(xiàn)子網(wǎng)絡(luò)。而對于分布式系統(tǒng)而言,網(wǎng) 絡(luò)問題又是一個(gè)必定會出現(xiàn)的異常情況,因此分區(qū)容錯性也就成為了一個(gè)分布式系統(tǒng)必然需要面對和解決的問題。因此系統(tǒng)架構(gòu)師往往需要把精力花在如何根據(jù)業(yè)務(wù) 特點(diǎn)在C(一致性)和A(可用性)之間尋求平衡。
BASE是Basically Available(基本可用)、Soft state(軟狀態(tài))和Eventually consistent(最終一致性)三個(gè)短語的縮寫。BASE理論是對CAP中一致性和可用性權(quán)衡的結(jié)果,其來源于對大規(guī)?;ヂ?lián)網(wǎng)系統(tǒng)分布式實(shí)踐的總結(jié), 是基于CAP定理逐步演化而來的。BASE理論的核心思想是:即使無法做到強(qiáng)一致性,但每個(gè)應(yīng)用都可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點(diǎn),采用適當(dāng)?shù)姆绞絹硎瓜到y(tǒng)達(dá)到最終一致性。
BASE理論面向的是大型高可用可擴(kuò)展的分布式系統(tǒng),和傳統(tǒng)的事物ACID特性是相反的,它完全不同于ACID的強(qiáng)一致性模型,而是通過犧牲強(qiáng)一致性來獲得可用性,并允許數(shù)據(jù)在一段時(shí)間內(nèi)是不一致的,但最終達(dá)到一致狀態(tài)。但同時(shí),在實(shí)際的分布式場景中,不同業(yè)務(wù)單元和組件對數(shù)據(jù)一致性的要求是不同的,因此在具體的分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,ACID特性和BASE理論往往又會結(jié)合在一起。
柔性事務(wù)
不同于ACID的剛性事務(wù),在分布式場景下基于BASE理論,就出現(xiàn)了柔性事務(wù)的概念。要想通過柔性事務(wù)來達(dá)到最終的一致性,就需要依賴于一些特性,這些特性在具體的方案中不一定都要滿足,因?yàn)椴煌姆桨敢蟛灰粯樱坏嵌疾粷M足的話,是不可能做柔性事務(wù)的。
可見性(對外可查詢)
在分布式事務(wù)執(zhí)行過程中,如果某一個(gè)步驟執(zhí)行出錯,就需要明確的知道其他幾個(gè)操作的處理情況,這就需要其他的服務(wù)都能夠提供查詢接口,保證可以通過查詢來判斷操作的處理情況。
為了保證操作的可查詢,需要對于每一個(gè)服務(wù)的每一次調(diào)用都有一個(gè)全局唯一的標(biāo)識,可以是業(yè)務(wù)單據(jù)號(如訂單號)、也可以是系統(tǒng)分配的操作流水號(如支付記錄流水號)。除此之外,操作的時(shí)間信息也要有完整的記錄。
冪等操作
冪等性,其實(shí)是一個(gè)數(shù)學(xué)概念。冪等函數(shù),或冪等方法,是指可以使用相同參數(shù)重復(fù)執(zhí)行,并能獲得相同結(jié)果的函數(shù)。
在編程中一個(gè)冪等操作的特點(diǎn)是其任意多次執(zhí)行所產(chǎn)生的影響均與一次執(zhí)行的影響相同。也就是說,同一個(gè)方法,使用同樣的參數(shù),調(diào)用多次產(chǎn)生的業(yè)務(wù)結(jié)果與調(diào)用一次產(chǎn)生的業(yè)務(wù)結(jié)果相同。這一個(gè)要求其實(shí)也比較好理解,因?yàn)橐WC數(shù)據(jù)的最終一致性,很多解決防范都會有很多重試的操作,如果一個(gè)方法不保證冪等,那么將無法被重試。冪等操作的實(shí)現(xiàn)方式有多種,如在系統(tǒng)中緩存所有的請求與處理結(jié)果、檢測到重復(fù)操作后,直接返回上一次的處理結(jié)果等。
業(yè)界方案
XA是X/Open CAE Specification (Distributed Transaction Processing)模型中定義的TM(Transaction Manager)與RM(Resource Manager)之間進(jìn)行通信的接口。
在XA規(guī)范中,數(shù)據(jù)庫充當(dāng)RM角色,應(yīng)用需要充當(dāng)TM的角色,即生成全局的txId,調(diào)用XAResource接口,把多個(gè)本地事務(wù)協(xié)調(diào)為全局統(tǒng)一的分布式事務(wù)。
二階段提交是XA的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。它將分布式事務(wù)的提交拆分為2個(gè)階段:prepare和commit/rollback。
2PC模型中,在prepare階段需要等待所有參與子事務(wù)的反饋,因此可能造成數(shù)據(jù)庫資源鎖定時(shí)間過長,不適合并發(fā)高以及子事務(wù)生命周長較長的業(yè)務(wù)場景。兩階段提交這種解決方案屬于犧牲了一部分可用性來換取的一致性。
saga
saga的提出,最早是為了解決可能會長時(shí)間運(yùn)行的分布式事務(wù)(long-running process)的問題。所謂long-running的分布式事務(wù),是指那些企業(yè)業(yè)務(wù)流程,需要跨應(yīng)用、跨企業(yè)來完成某個(gè)事務(wù),甚至在事務(wù)流程中還需要有手工操作的參與,這類事務(wù)的完成時(shí)間可能以分計(jì),以小時(shí)計(jì),甚至可能以天計(jì)。這類事務(wù)如果按照事務(wù)的ACID的要求去設(shè)計(jì),勢必造成系統(tǒng)的可用性大大的降低。試想一個(gè)由兩臺服務(wù)器一起參與的事務(wù),服務(wù)器A發(fā)起事務(wù),服務(wù)器B參與事務(wù),B的事務(wù)需要人工參與,所以處理時(shí)間可能很長。如果按照ACID的原則,要保持事務(wù)的隔離性、一致性,服務(wù)器A中發(fā)起的事務(wù)中使用到的事務(wù)資源將會被鎖定,不允許其他應(yīng)用訪問到事務(wù)過程中的中間結(jié)果,直到整個(gè)事務(wù)被提交或者回滾。這就造成事務(wù)A中的資源被長時(shí)間鎖定,系統(tǒng)的可用性將不可接受。
而saga,則是一種基于補(bǔ)償?shù)南Ⅱ?qū)動的用于解決long-running process的一種解決方案。目標(biāo)是為了在確保系統(tǒng)高可用的前提下盡量確保數(shù)據(jù)的一致性。還是上面的例子,如果用saga來實(shí)現(xiàn),那就是這樣的流程:服務(wù)器A的事務(wù)先執(zhí)行,如果執(zhí)行順利,那么事務(wù)A就先行提交;如果提交成功,那么就開始執(zhí)行事務(wù)B,如果事務(wù)B也執(zhí)行順利,則事務(wù)B也提交,整個(gè)事務(wù)就算完成。但是如果事務(wù)B執(zhí)行失敗,那事務(wù)B本身需要回滾,這時(shí)因?yàn)槭聞?wù)A已經(jīng)提交,所以需要執(zhí)行一個(gè)補(bǔ)償操作,將已經(jīng)提交的事務(wù)A執(zhí)行的操作作反操作,恢復(fù)到未執(zhí)行前事務(wù)A的狀態(tài)。這樣的基于消息驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)思路,就是saga。我們可以看出,saga是犧牲了數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性,僅僅實(shí)現(xiàn)了最終一致性,但是提高了系統(tǒng)整體的可用性。
TCC 其實(shí)就是采用的補(bǔ)償機(jī)制,其核心思想是:針對每個(gè)操作,都要注冊一個(gè)與其對應(yīng)的確認(rèn)和補(bǔ)償(撤銷)操作。TCC模型是把鎖的粒度完全交給業(yè)務(wù)處理。它分為三個(gè)階段:
Try 階段主要是對業(yè)務(wù)系統(tǒng)做檢測及資源預(yù)留
Confirm 階段主要是對業(yè)務(wù)系統(tǒng)做確認(rèn)提交,Try階段執(zhí)行成功并開始執(zhí)行 Confirm階段時(shí),默認(rèn) Confirm階段是不會出錯的。即:只要Try成功,Confirm一定成功。
Cancel 階段主要是在業(yè)務(wù)執(zhí)行錯誤,需要回滾的狀態(tài)下執(zhí)行的業(yè)務(wù)取消,預(yù)留資源釋放。
下面對TCC模式下,A賬戶往B賬戶匯款100元為例子,對業(yè)務(wù)的改造進(jìn)行詳細(xì)的分析:
匯款服務(wù)和收款服務(wù)分別需要實(shí)現(xiàn),Try-Confirm-Cancel接口,并在業(yè)務(wù)初始化階段將其注入到TCC事務(wù)管理器中。
[匯款服務(wù)]Try:檢查A賬戶有效性,即查看A賬戶的狀態(tài)是否為“轉(zhuǎn)帳中”或者“凍結(jié)”; 檢查A賬戶余額是否充足; 從A賬戶中扣減100元,并將狀態(tài)置為“轉(zhuǎn)賬中”; 預(yù)留扣減資源,將從A往B賬戶轉(zhuǎn)賬100元這個(gè)事件存入消息或者日志中;Confirm:不做任何操作;Cancel: A賬戶增加100元;從日志或者消息中,釋放扣減資源。[收款服務(wù)]Try:檢查B賬戶賬戶是否有效;Confirm: 讀取日志或者消息,B賬戶增加100元; 從日志或者消息中,釋放扣減資源;Cancel:不做任何操作。復(fù)制代碼
由此可以看出,TCC模型對業(yè)務(wù)的侵入強(qiáng),改造的難度大。
本地消息表(異步確保)
本地消息表這種實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)該是業(yè)界使用最多的,其核心思想是將分布式事務(wù)拆分成本地事務(wù)進(jìn)行處理,這種思路是來源于ebay。我們可以從下面的流程圖中看出其中的一些細(xì)節(jié):
基本思路就是:
消息生產(chǎn)方,需要額外建一個(gè)消息表,并記錄消息發(fā)送狀態(tài)。消息表和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)要在一個(gè)事務(wù)里提交,也就是說他們要在一個(gè)數(shù)據(jù)庫里面。然后消息會經(jīng)過MQ發(fā)送到消息的消費(fèi)方。如果消息發(fā)送失敗,會進(jìn)行重試發(fā)送。
消息消費(fèi)方,需要處理這個(gè)消息,并完成自己的業(yè)務(wù)邏輯。此時(shí)如果本地事務(wù)處理成功,表明已經(jīng)處理成功了,如果處理失敗,那么就會重試執(zhí)行。如果是業(yè)務(wù)上面的失敗,可以給生產(chǎn)方發(fā)送一個(gè)業(yè)務(wù)補(bǔ)償消息,通知生產(chǎn)方進(jìn)行回滾等操作。
生產(chǎn)方和消費(fèi)方定時(shí)掃描本地消息表,把還沒處理完成的消息或者失敗的消息再發(fā)送一遍。如果有靠譜的自動對賬補(bǔ)賬邏輯,這種方案還是非常實(shí)用的。
事務(wù)消息
事務(wù)消息作為一種異步確保型事務(wù), 將兩個(gè)事務(wù)分支通過MQ進(jìn)行異步解耦,事務(wù)消息的設(shè)計(jì)流程同樣借鑒了兩階段提交理論,整體交互流程如下圖所示:
事務(wù)發(fā)起方首先發(fā)送prepare消息到MQ。
在發(fā)送prepare消息成功后執(zhí)行本地事務(wù)。
根據(jù)本地事務(wù)執(zhí)行結(jié)果返回commit或者是rollback。
如果消息是rollback,MQ將刪除該prepare消息不進(jìn)行下發(fā),如果是commit消息,MQ將會把這個(gè)消息發(fā)送給consumer端。
如果執(zhí)行本地事務(wù)過程中,執(zhí)行端掛掉,或者超時(shí),MQ將會不停的詢問其同組的其它producer來獲取狀態(tài)。
Consumer端的消費(fèi)成功機(jī)制有MQ保證。
有一些第三方的MQ是支持事務(wù)消息的,比如RocketMQ,但是市面上一些主流的MQ都是不支持事務(wù)消息的,比如 RabbitMQ 和 Kafka 都不支持。
盡最大努力通知
最大努力通知方案主要也是借助MQ消息系統(tǒng)來進(jìn)行事務(wù)控制,這一點(diǎn)與可靠消息最終一致方案一樣??磥鞰Q中間件確實(shí)在一個(gè)分布式系統(tǒng)架構(gòu)中,扮演者重要的角色。最大努力通知方案是比較簡單的分布式事務(wù)方案,它本質(zhì)上就是通過定期校對,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性。
最大努力通知方案的實(shí)現(xiàn)
業(yè)務(wù)活動的主動方,在完成業(yè)務(wù)處理之后,向業(yè)務(wù)活動的被動方發(fā)送消息,允許消息丟失。
主動方可以設(shè)置時(shí)間階梯型通知規(guī)則,在通知失敗后按規(guī)則重復(fù)通知,直到通知N次后不再通知。
主動方提供校對查詢接口給被動方按需校對查詢,用于恢復(fù)丟失的業(yè)務(wù)消息。
業(yè)務(wù)活動的被動方如果正常接收了數(shù)據(jù),就正常返回響應(yīng),并結(jié)束事務(wù)。
如果被動方?jīng)]有正常接收,根據(jù)定時(shí)策略,向業(yè)務(wù)活動主動方查詢,恢復(fù)丟失的業(yè)務(wù)消息
最大努力通知方案的特點(diǎn)
用到的服務(wù)模式:可查詢操作、冪等操作。
被動方的處理結(jié)果不影響主動方的處理結(jié)果;
適用于對業(yè)務(wù)最終一致性的時(shí)間敏感度低的系統(tǒng);
適合跨企業(yè)的系統(tǒng)間的操作,或者企業(yè)內(nèi)部比較獨(dú)立的系統(tǒng)間的操作,比如銀行通知、商戶通知等;
方案比較
別人是怎么做的
alipay的分布式事務(wù)服務(wù)DTS
分布式事務(wù)服務(wù)(Distributed Transaction Service,簡稱 DTS)是一個(gè)分布式事務(wù)框架,用來保障在大規(guī)模分布式環(huán)境下事務(wù)的最終一致性。DTS 從架構(gòu)上分為 xts-client 和 xts-server 兩部分,前者是一個(gè)嵌入客戶端應(yīng)用的 Jar 包,主要負(fù)責(zé)事務(wù)數(shù)據(jù)的寫入和處理;后者是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)異常事務(wù)的恢復(fù)。
核心概念
在 DTS 內(nèi)部,我們將一個(gè)分布式事務(wù)的關(guān)聯(lián)方,分為發(fā)起方和參與者兩類:
發(fā)起方: 分布式事務(wù)的發(fā)起方負(fù)責(zé)啟動分布式事務(wù),觸發(fā)創(chuàng)建相應(yīng)的主事務(wù)記錄。發(fā)起方是分布式事務(wù)的協(xié)調(diào)者,負(fù)責(zé)調(diào)用參與者的服務(wù),并記錄相應(yīng)的事務(wù)日志,感知整個(gè)分布式事務(wù)狀態(tài)來決定整個(gè)事務(wù)是 COMMIT 還是 ROLLBACK。
參與者:參與者是分布式事務(wù)中的一個(gè)原子單位,所有參與者都必須在一階段接口(Prepare)中標(biāo)注(Annotation)參與者的標(biāo)識,它定義了 prepare、commit、rollback3個(gè)基本接口,業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)這3個(gè)接口,并保證其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的冪等性,也必須保證prepare 中的數(shù)據(jù)操作能夠被提交(COMMIT)或者回滾(ROLLBACK)。從存儲結(jié)構(gòu)上,DTS 的事務(wù)狀態(tài)數(shù)據(jù)可以分為主事務(wù)記錄(Activity)和分支事務(wù)記錄(Action)兩類:
主事務(wù)記錄 Activity:主事務(wù)記錄是整個(gè)分布式事務(wù)的主體,其最核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是事務(wù)號(TX_ID)和事務(wù)狀態(tài)(STATE),它是在啟動分布式事務(wù)的時(shí)候持久化寫入數(shù)據(jù)庫的,它的狀態(tài)決定了這筆分布式事務(wù)的狀態(tài)。
分支事務(wù)記錄 Action:分支事務(wù)記錄是主事務(wù)記錄的一個(gè)子集,它記錄了一個(gè)參與者的信息,其中包括參與者的 NAME 名稱,DTS 通過這個(gè) NAME 來唯一定位一個(gè)參與者。通過這個(gè)分支事務(wù)信息,我們就可以對參與者進(jìn)行提交或者回滾操作。
這應(yīng)該屬于我們上面所說的TCC模式。
eBay 本地消息表
本地消息表這種實(shí)現(xiàn)方式的思路,其實(shí)是源于ebay,后來通過支付寶等公司的布道,在業(yè)內(nèi)廣泛使用。其基本的設(shè)計(jì)思想是將遠(yuǎn)程分布式事務(wù)拆分成一系列的本地事務(wù)。如果不考慮性能及設(shè)計(jì)優(yōu)雅,借助關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的表即可實(shí)現(xiàn)。
舉個(gè)經(jīng)典的跨行轉(zhuǎn)賬的例子來描述。第一步,扣款1W,通過本地事務(wù)保證了憑證消息插入到消息表中。第二步,通知對方銀行賬戶上加1W了。那問題來了,如何通知到對方呢?
通常采用兩種方式:
采用時(shí)效性高的MQ,由對方訂閱消息并監(jiān)聽,有消息時(shí)自動觸發(fā)事件
采用定時(shí)輪詢掃描的方式,去檢查消息表的數(shù)據(jù)。
類似使用本地消息表+消息通知的還有去哪兒,蘑菇街
各種第三方支付回調(diào)
最大努力通知型。如支付寶、微信的支付回調(diào)接口方式,不斷回調(diào)直至成功,或直至調(diào)用次數(shù)衰減至失敗狀態(tài)。
我們可以怎么來做
2PC/3PC需要資源管理器(MySQL, redis)支持XA協(xié)議,且整個(gè)事務(wù)的執(zhí)行期間需要鎖住事務(wù)資源,會降低性能。故先排除。
TCC的模式,需要事務(wù)接口提供try,confirm,cancel三個(gè)接口,提高了編程的復(fù)雜性。需要依賴于業(yè)務(wù)方來配合提供這樣的接口。推行難度大,暫時(shí)排除。
最大努力通知型,應(yīng)用于異構(gòu)或者服務(wù)平臺當(dāng)中
可以看到ebay的經(jīng)典模式中,分布式的事務(wù),是通過本地事務(wù)+可靠消息,來達(dá)到事務(wù)的最終一致性的。但是出現(xiàn)了事務(wù)消息,就把本地事務(wù)的工作給涵蓋在事務(wù)消息當(dāng)中了。。
以上就是分布式事務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性的詳細(xì)內(nèi)容了,看完之后是否有所收獲呢?如果想了解更多相關(guān)內(nèi)容,歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊!