etcd系列之事务：etcd 中如何实现事务（上）？

aoho求索

发布于 2022-12-03 10:14:09

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发布于 2022-12-03 10:14:09

文章被收录于专栏：aoho求索

你好，我是 aoho，今天我和你分享的主题是事务：etcd 中如何实现事务？

我们在前面介绍了 etcd 存储、etcd-raft 模块以及 MVCC 多版本控制实现的原理。今天将会介绍 etcd 中事务的实现。

在我们的业务中，希望能够实现在无论什么样的故障场景下，一组操作要么同时完成，要么都失败。etcd 实现了在一个事务中，原子地执行冲突检查、更新多个 keys 的值。除此之外，etcd 将底层 MVCC 机制的版本信息暴露出来，基于版本信息封装出了一套基于乐观锁的事务框架 STM，并实现了不同的隔离级别。因此本课时将会来带着你了解 etcd 事务的概念、基本使用和 STM 事务的隔离级别。

什么是事务？

事务通常就是指数据库事务。事务具有 ACID 特性，即原子性、一致性、隔离性和持久性。

原子性（Atomicity）：事务作为一个整体被执行，包含在其中的对数据库的操作要么全部被执行，要么都不执行。
一致性（Consistency）：事务应确保数据库的状态从一个一致状态转变为另一个一致状态。一致状态的含义是数据库中的数据应满足完整性约束。
隔离性（Isolation）：多个事务并发执行时，一个事务的执行不应影响其他事务的执行。
持久性（Durability）：一个事务一旦提交，他对数据库的修改应该永久保存在数据库中。

常见的关系型数据库如 MySQL ，其 InnoDB 事务的实现基于锁实现数据库事务。事务操作执行时，需要获取对应数据库记录的锁，才能进行操作；如果发生冲突，事务会阻塞，某些情况下可能会死锁。在整个事务执行的过程中，客户端与 MySQL 多次交互，MySQL 为客户端维护事务资源，直至事务提交。

而 etcd 中的事务则是基于 CAS（Compare and Swap，即比较再交换）方式。

etcd 使用了不到四百行的代码实现了迷你事务，其对应的语法为 If-Then-Else。etcd 允许用户在一次修改中批量执行多个操作，即这一组操作被绑定成一个原子操作，并共享同一个修订号。写法类似 CAS，如下所示：

Txn().If(cond1, cond2, ...).Then(op1, op2, ...,).Else(op1, op2)

上面的实现其实很好理解，如果 If 冲突判断语句为真，对应返回值为 true，Then 中的语句将会被执行，否则执行 else 中的逻辑。

在 etcd 事务执行过程中，客户端与 etcd 服务端之间没有维护事务会话。冲突判断(If)和执行过程 Then/Else作为一个原子过程来执行 If-Then-Else，因此 etcd 事务不会发生阻塞，无论成功还是失败都会返回，当发生冲突导致执行失败时，需要应用进行重试。业务代码需要考虑这部分的重试逻辑。

etcd 事务的使用示例

我们来演示转账的过程，发送者向接收者发起转账事务。etcd 的事务基于乐观锁来检测冲突并重试，检测冲突时使用了 ModRevision 进行校验，该字段表示某个 key 上一次被更改时，全局的版本是多少。因此，我们实现转账业务的流程如下所示：

82fe7124281041d8648129479776f4e4_transfer.png

在 etcd 中的实现代码如下所示：

func txnTransfer(etcd *v3.Client, sender, receiver string, amount uint) error {
 // 失败重试
 for {
  if ok, err := doTxn(etcd, sender, receiver, amount); err != nil {
   return err
  } else if ok {
   return nil
  }
 }
}

func doTxn(etcd *v3.Client, sender, receiver string, amount uint) (bool, error) {
 // 第一个事务，利用事务的原子性，同时获取发送和接收者的余额以及 ModRevision
 getresp, err := etcd.Txn(context.TODO()).Then(v3.OpGet(sender), v3.OpGet(receiver)).Commit()
 if err != nil {
  return false, err
 }
 senderKV := getresp.Responses[0].GetResponseRange().Kvs[0]
 receiverKV := getresp.Responses[1].GetResponseRange().Kvs[1]
 senderNum, receiverNum := toUInt64(senderKV.Value), toUInt64(receiverKV.Value)
 // 验证账户余额是否充足
 if senderNum < amount {
  return false, fmt.Errorf("资金不足")
 }
 // 发起转账事务，冲突判断 ModRevision 是否发生变化
 txn := etcd.Txn(context.TODO()).If(
  v3.Compare(v3.ModRevision(sender), "=", senderKV.ModRevision),
  v3.Compare(v3.ModRevision(receiver), "=", receiverKV.ModRevision))
 txn = txn.Then(
  v3.OpPut(sender, fromUint64(senderNum-amount)), // 更新发送者账户余额
  v3.OpPut(receiver, fromUint64(receiverNum-amount))) // 更新接收者账户余额
    resp, err := txn.Commit()         // 提交事务
 if err != nil {
  return false, err
 }
 return resp.Succeeded, nil
}

如上 etcd 事务的实现基于乐观锁，涉及到两次事务操作，第一次事务利用原子性来同时获取发送方和接收方的当前账户金额；第二次事务发起转账操作，冲突检测 ModRevision 是否发生变化，如果没有变化则正常提交事务。若发生了冲突，则需要进行重试。

如上过程的实现较为繁琐，除了业务逻辑，还有大量的代码用来判断冲突以及重试。因此，etcd 社区基于事务特性，实现了一个简单的事务框架 STM，构建了各个事务隔离级别类，下面我们看看基于 STM 框架如何实现 etcd 事务。