PHP在大规模分布式事务中的应用：TCC或Saga模式的用户态实现 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，我们开始今天的讲座，主题是：PHP在大规模分布式事务中的应用：TCC或Saga模式的用户态实现。

引言

在微服务架构日益普及的今天，分布式事务成为一个不可回避的挑战。PHP虽然在单体应用开发中表现出色，但在分布式环境中处理事务需要一些额外的考量。今天，我们将探讨如何使用TCC（Try-Confirm-Cancel）和 Saga 模式在 PHP 中实现用户态的分布式事务管理。我们将深入研究这些模式的原理，并提供具体的代码示例，帮助大家理解如何在实际项目中应用它们。

分布式事务的挑战

传统的ACID事务模型在单数据库环境中表现良好，但在分布式系统中却面临以下挑战：

跨数据库/服务: 事务涉及多个独立的数据库或服务，难以保证原子性。
网络延迟: 分布式系统中的网络延迟可能导致事务执行时间过长，影响性能。
数据一致性: 在部分服务失败的情况下，如何保证数据最终一致性是一个难题。

TCC (Try-Confirm-Cancel) 模式

TCC 是一种补偿型事务，其核心思想是将每个业务操作分成三个阶段：

Try 阶段: 尝试执行业务，预留所需的资源。这个阶段通常不进行实际的业务变更，而是进行资源的锁定或预分配。
Confirm 阶段: 在 Try 阶段成功的情况下，确认执行业务。这个阶段会执行真正的业务操作，并释放 Try 阶段预留的资源。
Cancel 阶段: 在 Try 阶段失败或 Confirm 阶段无法执行的情况下，取消执行业务，释放 Try 阶段预留的资源。

TCC 模式的优点：

资源锁定: Try 阶段预留资源，减少了并发冲突的可能性。
最终一致性: 通过 Confirm 和 Cancel 操作，保证了数据最终一致性。

TCC 模式的缺点：

开发复杂度高: 需要为每个业务操作实现 Try、Confirm 和 Cancel 三个阶段的逻辑。
幂等性要求: Confirm 和 Cancel 操作需要保证幂等性，以应对网络异常或重复调用。
可能存在资源锁定时间过长的问题: 如果 Try 阶段预留资源后长时间未进行 Confirm 或 Cancel 操作，可能会导致资源被长时间占用。

TCC 模式在 PHP 中的实现

下面是一个使用 PHP 实现 TCC 模式的示例。假设我们有一个在线购物系统，用户购买商品涉及以下两个服务：

订单服务: 创建订单。
库存服务: 扣减库存。

1. 订单服务 (Order Service)

<?php

class OrderService
{
    private $db; // 数据库连接

    public function __construct(PDO $db)
    {
        $this->db = $db;
    }

    public function tryCreateOrder(int $userId, int $productId, int $quantity): string
    {
        // 1. 预留订单，生成订单ID，状态设置为 'pending'
        $orderId = uniqid('order_');
        $sql = "INSERT INTO orders (order_id, user_id, product_id, quantity, status) VALUES (?, ?, ?, ?, ?)";
        $stmt = $this->db->prepare($sql);
        $stmt->execute([$orderId, $userId, $productId, $quantity, 'pending']);

        return $orderId; // 返回订单ID，供库存服务使用
    }

    public function confirmCreateOrder(string $orderId): bool
    {
        // 2. 确认创建订单，将订单状态设置为 'completed'
        $sql = "UPDATE orders SET status = ? WHERE order_id = ?";
        $stmt = $this->db->prepare($sql);
        $stmt->execute(['completed', $orderId]);

        return true;
    }

    public function cancelCreateOrder(string $orderId): bool
    {
        // 3. 取消创建订单，将订单状态设置为 'cancelled'
        $sql = "UPDATE orders SET status = ? WHERE order_id = ?";
        $stmt = $this->db->prepare($sql);
        $stmt->execute(['cancelled', $orderId]);

        return true;
    }
}

?>

2. 库存服务 (Inventory Service)

<?php

class InventoryService
{
    private $db; // 数据库连接

    public function __construct(PDO $db)
    {
        $this->db = $db;
    }

    public function tryDeductInventory(int $productId, int $quantity): bool
    {
        // 1. 尝试扣减库存，预留库存
        $sql = "UPDATE inventory SET reserved_quantity = reserved_quantity + ? WHERE product_id = ? AND quantity - reserved_quantity >= ?";
        $stmt = $this->db->prepare($sql);
        $stmt->execute([$quantity, $productId, $quantity]);

        return $stmt->rowCount() > 0; // 如果预留成功，返回 true，否则返回 false
    }

    public function confirmDeductInventory(int $productId, int $quantity): bool
    {
        // 2. 确认扣减库存，将 reserved_quantity 转移到 used_quantity
        $sql = "UPDATE inventory SET quantity = quantity - ?, reserved_quantity = reserved_quantity - ? WHERE product_id = ?";
        $stmt = $this->db->prepare($sql);
        $stmt->execute([$quantity, $quantity, $productId]);

        return true;
    }

    public function cancelDeductInventory(int $productId, int $quantity): bool
    {
        // 3. 取消扣减库存，释放预留的库存
        $sql = "UPDATE inventory SET reserved_quantity = reserved_quantity - ? WHERE product_id = ?";
        $stmt = $this->db->prepare($sql);
        $stmt->execute([$quantity, $productId]);

        return true;
    }
}

?>

3. TCC 协调器 (TCC Coordinator)

TCC 协调器负责协调各个服务的 TCC 操作。它可以是一个独立的微服务，也可以嵌入到某个服务中。

<?php

class TCCCoordinator
{
    private $orderService;
    private $inventoryService;

    public function __construct(OrderService $orderService, InventoryService $inventoryService)
    {
        $this->orderService = $orderService;
        $this->inventoryService = $inventoryService;
    }

    public function purchase(int $userId, int $productId, int $quantity): bool
    {
        // 1. Try 阶段
        $orderId = $this->orderService->tryCreateOrder($userId, $productId, $quantity);
        if (!$orderId) {
            return false; // 创建订单失败
        }

        $inventoryReserved = $this->inventoryService->tryDeductInventory($productId, $quantity);
        if (!$inventoryReserved) {
            // 库存预留失败，需要 Cancel 订单
            $this->orderService->cancelCreateOrder($orderId);
            return false;
        }

        // 2. Confirm 阶段
        try {
            $this->orderService->confirmCreateOrder($orderId);
            $this->inventoryService->confirmDeductInventory($productId, $quantity);
            return true; // 购买成功
        } catch (Exception $e) {
            // Confirm 阶段失败，需要 Cancel 所有操作
            $this->orderService->cancelCreateOrder($orderId);
            $this->inventoryService->cancelDeductInventory($productId, $quantity);
            return false;
        }
    }
}

?>

4. 使用示例

<?php

// 假设已经创建了数据库连接 $db
$orderService = new OrderService($db);
$inventoryService = new InventoryService($db);
$tccCoordinator = new TCCCoordinator($orderService, $inventoryService);

$userId = 123;
$productId = 456;
$quantity = 1;

$success = $tccCoordinator->purchase($userId, $productId, $quantity);

if ($success) {
    echo "购买成功！";
} else {
    echo "购买失败！";
}

?>

重要注意事项:

异常处理: 在 TCC 的每个阶段都需要进行完善的异常处理，确保在任何情况下都能正确执行 Confirm 或 Cancel 操作。
幂等性: Confirm 和 Cancel 操作必须保证幂等性。可以采用以下方法：
- 状态机: 记录事务的执行状态，只有在特定状态下才允许执行操作。
- 唯一标识: 为每个事务生成一个唯一标识，只有在未处理过该标识的情况下才执行操作。
超时机制: 为 TCC 操作设置超时时间，避免长时间锁定资源。如果超时，则自动执行 Cancel 操作。
消息队列: 可以使用消息队列来异步执行 Confirm 和 Cancel 操作，提高系统的吞吐量。

Saga 模式

Saga 模式是另一种常用的分布式事务解决方案。它将一个大的事务分解成一系列小的本地事务，每个本地事务都由一个 Saga 参与者（Participant）执行。Saga 模式通过事件驱动的方式协调各个参与者，以保证数据最终一致性。

Saga 模式的两种实现方式：

编排式 Saga (Orchestration-based Saga): 由一个中心化的编排器（Orchestrator）负责协调各个 Saga 参与者。编排器会根据预定义的流程，依次调用各个参与者的本地事务。
协同式 Saga (Choreography-based Saga): 各个 Saga 参与者通过发布和订阅事件进行协作。每个参与者监听特定的事件，并在接收到事件后执行相应的本地事务。

Saga 模式的优点：

松耦合: 各个 Saga 参与者之间通过事件进行通信，降低了耦合度。
易于扩展: 可以方便地添加新的 Saga 参与者，扩展系统的功能。
适用于长事务: 适用于需要跨多个服务、长时间执行的事务。

Saga 模式的缺点：

数据不一致性: 在 Saga 执行过程中，可能存在数据不一致的情况。需要通过补偿操作来保证数据最终一致性。
复杂性: Saga 的实现相对复杂，需要处理各种异常情况和补偿操作。

Saga 模式在 PHP 中的实现

我们继续使用上面的在线购物系统示例，使用编排式 Saga 模式实现分布式事务。

1. 定义 Saga 参与者接口

<?php

interface SagaParticipantInterface
{
    public function execute(array $data): bool;
    public function compensate(array $data): bool;
}

?>

2. 实现订单服务 Saga 参与者

<?php

class OrderSagaParticipant implements SagaParticipantInterface
{
    private $orderService;

    public function __construct(OrderService $orderService)
    {
        $this->orderService = $orderService;
    }

    public function execute(array $data): bool
    {
        // 创建订单
        $userId = $data['user_id'];
        $productId = $data['product_id'];
        $quantity = $data['quantity'];
        $orderId = uniqid('order_');

        // 创建订单的逻辑 (与 TCC 的 tryCreateOrder 类似)
        try {
            $sql = "INSERT INTO orders (order_id, user_id, product_id, quantity, status) VALUES (?, ?, ?, ?, ?)";
            $stmt = $this->orderService->db->prepare($sql); // 直接访问数据库连接，简化示例
            $stmt->execute([$orderId, $userId, $productId, $quantity, 'completed']);
            return true;
        } catch (Exception $e) {
            return false;
        }
    }

    public function compensate(array $data): bool
    {
        // 取消订单
        $orderId = $data['order_id'];

        // 取消订单的逻辑 (与 TCC 的 cancelCreateOrder 类似)
        try {
            $sql = "UPDATE orders SET status = ? WHERE order_id = ?";
            $stmt = $this->orderService->db->prepare($sql);
            $stmt->execute(['cancelled', $orderId]);
            return true;
        } catch (Exception $e) {
            return false;
        }
    }
}

?>

3. 实现库存服务 Saga 参与者

<?php

class InventorySagaParticipant implements SagaParticipantInterface
{
    private $inventoryService;

    public function __construct(InventoryService $inventoryService)
    {
        $this->inventoryService = $inventoryService;
    }

    public function execute(array $data): bool
    {
        // 扣减库存
        $productId = $data['product_id'];
        $quantity = $data['quantity'];

        // 扣减库存的逻辑 (与 TCC 的 confirmDeductInventory 类似)
        try {
            $sql = "UPDATE inventory SET quantity = quantity - ? WHERE product_id = ?";
            $stmt = $this->inventoryService->db->prepare($sql); // 直接访问数据库连接，简化示例
            $stmt->execute([$quantity, $productId]);
            return true;
        } catch (Exception $e) {
            return false;
        }
    }

    public function compensate(array $data): bool
    {
        // 增加库存
        $productId = $data['product_id'];
        $quantity = $data['quantity'];

        // 增加库存的逻辑 (与 TCC 的 cancelDeductInventory 的反向操作类似)
        try {
            $sql = "UPDATE inventory SET quantity = quantity + ? WHERE product_id = ?";
            $stmt = $this->inventoryService->db->prepare($sql);
            $stmt->execute([$quantity, $productId]);
            return true;
        } catch (Exception $e) {
            return false;
        }
    }
}

?>

4. 实现 Saga 编排器

<?php

class SagaOrchestrator
{
    private $participants = [];

    public function addParticipant(SagaParticipantInterface $participant): void
    {
        $this->participants[] = $participant;
    }

    public function run(array $data): bool
    {
        $executedParticipants = [];

        foreach ($this->participants as $participant) {
            if ($participant->execute($data)) {
                $executedParticipants[] = $participant;
            } else {
                // 执行补偿操作
                $this->compensate($executedParticipants, $data);
                return false;
            }
        }

        return true;
    }

    private function compensate(array $executedParticipants, array $data): void
    {
        // 倒序执行补偿操作
        foreach (array_reverse($executedParticipants) as $participant) {
            $participant->compensate($data);
        }
    }
}

?>

5. 使用示例

<?php

// 假设已经创建了数据库连接 $db
$orderService = new OrderService($db);
$inventoryService = new InventoryService($db);

$orderSagaParticipant = new OrderSagaParticipant($orderService);
$inventorySagaParticipant = new InventorySagaParticipant($inventoryService);

$sagaOrchestrator = new SagaOrchestrator();
$sagaOrchestrator->addParticipant($orderSagaParticipant);
$sagaOrchestrator->addParticipant($inventorySagaParticipant);

$userId = 123;
$productId = 456;
$quantity = 1;

$data = [
    'user_id' => $userId,
    'product_id' => $productId,
    'quantity' => $quantity,
    'order_id' => uniqid('order_'), // 生成一个订单ID，传递给补偿操作
];

$success = $sagaOrchestrator->run($data);

if ($success) {
    echo "购买成功！";
} else {
    echo "购买失败！";
}

?>

选择 TCC 还是 Saga？

特性	TCC	Saga
耦合度	较高，需要修改现有服务的逻辑	较低，通过事件驱动，服务间解耦
复杂度	较高，需要实现 Try/Confirm/Cancel	较高，需要处理补偿逻辑和事件驱动
数据一致性	强最终一致性	最终一致性，可能存在中间状态
适用场景	资源锁定要求较高的场景	长事务、跨多个服务的场景
开发难度	较高	较高
性能	可能会因为资源锁定影响性能	性能较好，异步执行

总结：用户态分布式事务的PHP实现

用户态的TCC和Saga模式，通过PHP代码可以在分布式系统中实现事务。TCC需要修改现有服务，而Saga通过事件驱动实现解耦，选择哪种模式取决于具体业务场景和需求。

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