javascript
【技术干货】Spring事务原理一探
本篇文章是網易云信研發工程師對Spring事務實現原理及實現的研究和總結，分享給大家，希望和大家共同探討。
事務是一個由有限操作集合組成的邏輯單元。事務操作包含兩個目的，數據一致以及操作隔離。數據一致是指事務提交時保證事務內的所有操作都成功完成，并且更改永久生效；事務回滾時，保證能夠恢復到事務執行之前的狀態。操作隔離則是指多個同時執行的事務之間應該相互獨立，互不影響。
事務是一個比較廣泛的概念，事務管理資源除了我們熟知的數據庫外，還可以包含消息隊列、文件系統等。當然，一般來說，我們說的事務單指“數據庫事務”。接下來我們會以MySQL數據庫、Spring聲明式事務為主要研究對象，但是很多事務概念、接口抽象和實現方式同時適用于其他情況。
事務屬性和行為
ACID屬性
提到事務，不可避免需要涉及到事務的ACID屬性：
原子性（Atomicity）：事務作為一個整體被執行，包含在其中的對數據庫的操作要么全部被執行，要么都不執行。
一致性（Consistency）：事務應確保數據庫的狀態從一個一致狀態轉變為另一個一致狀態。一致狀態的含義是數據庫中的數據應滿足完整性約束。
隔離性（Isolation）：多個事務并發執行時，一個事務的執行不應影響其他事務的執行。
持久性（Durability）：已被提交的事務對數據庫的修改應該永久保存在數據庫中。
我們將嚴格遵循ACID屬性的事務稱為剛性事務。與之相對，期望最終一致性，在事務執行的中間狀態允許暫時不遵循ACID屬性的事務稱為柔性事務，可參考《傳統事務與柔性事務》（https://www.jianshu.com/p/ab1a1c6b08a1），柔性事務的使用涉及到分布式事務方案，可以后續擴展，這里我們先將注意集中在事務實現原理上。
隔離級別
根據SQL92標準，MySQL的InnoDB引擎提供四種隔離級別（即ACID中的I）：讀未提交（READ UNCOMMITTED）、讀已提交（READ COMMITTED）、可重復讀（REPEATABLE READ）和串行化（SERIALIZABLE），InnoDB默認的隔離級別是 REPEATABLE READ，其可避免臟讀和不可重復讀，但不能避免幻讀，需要指出的是，InnoDB引擎的多版本并發控制機制（MVCC）并沒有完全避免幻讀，關于該問題以及隔離級別說明，可參考《MySQL的InnoDB的幻讀問題》（http://blog.sina.com.cn/s/blog_499740cb0100ugs7.html）。
傳播機制
Spring針對方法嵌套調用時事務的創建行為定義了七種事務傳播機制，分別是PROPAGATIONREQUIRED、PROPAGATIONSUPPORT、PROPAGATIONMANDATORY、PROPAGATIONREQUIRESNEW、PROPAGATIONNOTSUPPORTED、PROPAGATIONNEVER以及PROPAGATION_NESTED，基本上從字面意思就能知道每種傳播機制各自的行為表現，Spring默認的事務傳播機制是 PROPAGATION_REQUIRED，即如果當前存在事務，則使用當前事務，否則創建新的事務。詳情可參考《Spring事務傳播行為》（https://juejin.im/post/5ae9639af265da0b926564e7）。
事務行為
事務的行為包括事務開啟、事務提交和事務回滾。InnoDB所有的用戶SQL執行都在事務控制之內，在默認情況下，autocommit設置為 true，單條SQL執行成功后，MySQL會自動提交事務，或者如果SQL執行出錯，則根據異常類型執行事務提交或者回滾。可以使用 START TRANSACTION（SQL標準）或者 BEGIN開啟事務，使用 COMMIT和 ROLLBACK提交和回滾事務；也可以通過設置autocommit屬性來控制事務行為，當設置autocommit為 false時，其后執行的多條SQL語句將在一個事務內，直到執行 COMMIT或者 ROLLBACK事務才會提交或者回滾。
AOP增強
Spring使用AOP（面向切面編程）來實現聲明式事務，后續在講Spring事務具體實現的時候會詳細說明，關于AOP的概念可參考《Spring AOP概念理解》（通俗易懂）（https://juejin.im/post/5ae9639af265da0b926564e7），這里不再細說。說下動態代理和AOP增強。
動態代理是Spring實現AOP的默認方式，分為兩種：JDK動態代理和CGLIB動態代理。JDK動態代理面向接口，通過反射生成目標代理接口的匿名實現類；CGLIB動態代理則通過繼承，使用字節碼增強技術（或者 objenesis類庫）為目標代理類生成代理子類。Spring默認對接口實現使用JDK動態代理，對具體類使用CGLIB，同時也支持配置全局使用CGLIB來生成代理對象。
我們在切面配置中會使用到 @Aspect注解，這里用到了Aspectj的切面表達式。Aspectj是java語言實現的一個AOP框架，使用靜態代理模式，擁有完善的AOP功能，與Spring AOP互為補充。Spring采用了Aspectj強大的切面表達式定義方式，但是默認情況下仍然使用動態代理方式，并未使用Aspectj的編譯器和織入器，當然也支持配置使用Aspectj靜態代理替代動態代理方式。Aspectj功能更強大，比方說它支持對字段、POJO類進行增強，與之相對，Spring只支持對Bean方法級別進行增強。
Spring對方法的增強有五種方式：
前置增強（?org.springframework.aop.BeforeAdvice）：在目標方法執行之前進行增強；
后置增強（?org.springframework.aop.AfterReturningAdvice）：在目標方法執行之后進行增強；
環繞增強（?org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor）：在目標方法執行前后都執行增強；
異常拋出增強（?org.springframework.aop.ThrowsAdvice）：在目標方法拋出異常后執行增強；
引介增強（?org.springframework.aop.IntroductionInterceptor）：為目標類添加新的方法和屬性。
聲明式事務的實現就是通過環繞增強的方式，在目標方法執行之前開啟事務，在目標方法執行之后提交或者回滾事務，事務攔截器的繼承關系圖可以體現這一點：
Spring事務抽象
統一一致的事務抽象是Spring框架的一大優勢，無論是全局事務還是本地事務，JTA、JDBC、Hibernate還是JPA，Spring都使用統一的編程模型，使得應用程序可以很容易地在全局事務與本地事務，或者不同的事務框架之間進行切換。下圖是Spring事務抽象的核心類圖：
接口 PlatformTransactionManager定義了事務操作的行為，其依賴 TransactionDefinition和 TransactionStatus接口，其實大部分的事務屬性和行為我們以MySQL數據庫為例已經有過了解，這里再對應介紹下。
PlatformTransactionManager：事務管理器
getTransaction方法：事務獲取操作，根據事務屬性定義，獲取當前事務或者創建新事物；
commit方法：事務提交操作，注意這里所說的提交并非直接提交事務，而是根據當前事務狀態執行提交或者回滾操作；
rollback方法：事務回滾操作，同樣，也并非一定直接回滾事務，也有可能只是標記事務為只讀，等待其他調用方執行回滾。
TransactionDefinition：事務屬性定義
getPropagationBehavior方法：返回事務的傳播屬性，默認是?PROPAGATION_REQUIRED；
getIsolationLevel方法：返回事務隔離級別，事務隔離級別只有在創建新事務時才有效，也就是說只對應傳播屬性?PROPAGATION_REQUIRED和?PROPAGATION_REQUIRES_NEW；
getTimeout方法：返回事務超時時間，以秒為單位，同樣只有在創建新事務時才有效；
isReadOnly方法：是否優化為只讀事務，支持這項屬性的事務管理器會將事務標記為只讀，只讀事務不允許有寫操作，不支持只讀屬性的事務管理器需要忽略這項設置，這一點跟其他事務屬性定義不同，針對其他不支持的屬性設置，事務管理器應該拋出異常。
getName方法：返回事務名稱，聲明式事務中默認值為“類的完全限定名.方法名”。
TransactionStatus：當前事務狀態
isNewTransaction方法：當前方法是否創建了新事務（區別于使用現有事務以及沒有事務）；
hasSavepoint方法：在嵌套事務場景中，判斷當前事務是否包含保存點；
setRollbackOnly和?isRollbackOnly方法：只讀屬性設置（主要用于標記事務，等待回滾）和查詢；
flush方法：刷新底層會話中的修改到數據庫，一般用于刷新如Hibernate/JPA的會話，是否生效由具體事務資源實現決定；
isCompleted方法：判斷當前事務是否已完成（已提交或者已回滾）。
部分Spring包含的對 PlatformTransactionManager的實現類如下圖所示：
AbstractPlatformTransactionManager抽象類實現了Spring事務的標準流程，其子類 DataSourceTransactionManager是我們使用較多的JDBC單數據源事務管理器，而 JtaTransactionManager是JTA（Java Transaction API）規范的實現類，另外兩個則分別是JavaEE容器WebLogic和WebSphere的JTA事務管理器的具體實現。
Spring事務切面
之前提到，Spring采用AOP來實現聲明式事務，那么事務的AOP切面是如何織入的呢？這一點涉及到AOP動態代理對象的生成過程。
代理對象生成的核心類是 AbstractAutoProxyCreator，實現了 BeanPostProcessor接口，會在Bean初始化完成之后，通過 postProcessAfterInitialization方法生成代理對象，關于 BeanPostProcessor在Bean生命周期中的作用，可參考《一些常用的Spring擴展接口》（https://www.cnblogs.com/xrq730/p/5721366.html）。
看一下 AbstractAutoProxyCreator類的核心代碼，主要關注三個方法：postProcessAfterInitialization、wrapIfNecessary和createProxy，為了突出核心流程，以注釋代替了部分代碼的具體實現，后續的源碼分析也采用相同的處理。
// AbstractAutoProxyCreator.class @Override public Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName) throws BeansException {if (bean != null) {Object cacheKey = getCacheKey(bean.getClass(), beanName);if (!this.earlyProxyReferences.contains(cacheKey)) {// 創建代理對象return wrapIfNecessary(bean, beanName, cacheKey);}}return bean; } protected Object wrapIfNecessary(Object bean, String beanName, Object cacheKey) {// 參數檢查，跳過已經執行過代理對象生成，或者已知的不需要生成代理對象的Bean...// Create proxy if we have advice.// 查詢當前Bean所有的AOP增強配置，最終是通過AOPUtils工具類實現Object[] specificInterceptors = getAdvicesAndAdvisorsForBean(bean.getClass(), beanName, null);if (specificInterceptors != DO_NOT_PROXY) {this.advisedBeans.put(cacheKey, Boolean.TRUE);// 執行AOP織入，創建代理對象Object proxy = createProxy(bean.getClass(), beanName, specificInterceptors, new SingletonTargetSource(bean));this.proxyTypes.put(cacheKey, proxy.getClass());return proxy;}this.advisedBeans.put(cacheKey, Boolean.FALSE);return bean; } protected Object createProxy(Class<?> beanClass, String beanName, Object[] specificInterceptors, TargetSource targetSource) {if (this.beanFactory instanceof ConfigurableListableBeanFactory) {AutoProxyUtils.exposeTargetClass((ConfigurableListableBeanFactory) this.beanFactory, beanName, beanClass);}// 實例化代理工廠類ProxyFactory proxyFactory = new ProxyFactory();proxyFactory.copyFrom(this);// 當全局使用動態代理時，設置是否需要對目標Bean強制使用CGLIB動態代理...// 構建AOP增強顧問，包含框架公共增強和應用程序自定義增強// 設置proxyFactory屬性，如增強、目標類、是否允許變更等...// 創建代理對象return proxyFactory.getProxy(getProxyClassLoader()); }最后是通過調用 ProxyFactory#getProxy(java.lang.ClassLoader)方法來創建代理對象：
// ProxyFactory.class public Object getProxy(ClassLoader classLoader) {return createAopProxy().getProxy(classLoader); } // ProxyFactory父類ProxyCreatorSupport.class protected final synchronized AopProxy createAopProxy() {if (!this.active) {activate();}return getAopProxyFactory().createAopProxy(this); } public ProxyCreatorSupport() {this.aopProxyFactory = new DefaultAopProxyFactory(); }ProxyFactory的父類構造器實例化了 DefaultAopProxyFactory類，從其源代碼我們可以看到Spring動態代理方式選擇策略的實現：如果目標類optimize，proxyTargetClass屬性設置為 true或者未指定需要代理的接口，則使用CGLIB生成代理對象，否則使用JDK動態代理。
public class DefaultAopProxyFactory implements AopProxyFactory, Serializable {@Overridepublic AopProxy createAopProxy(AdvisedSupport config) throws AopConfigException {// 如果optimize，proxyTargetClass屬性設置為true或者未指定代理接口，則使用CGLIB生成代理對象if (config.isOptimize() || config.isProxyTargetClass() || hasNoUserSuppliedProxyInterfaces(config)) {Class<?> targetClass = config.getTargetClass();// 參數檢查，targetClass為空拋出異常...// 目標類本身是接口或者代理對象，仍然使用JDK動態代理if (targetClass.isInterface() || Proxy.isProxyClass(targetClass)) {return new JdkDynamicAopProxy(config);}// Objenesis是一個可以不通過構造器創建子類的java工具類庫// 作為Spring 4.0后CGLIB的默認實現return new ObjenesisCglibAopProxy(config);}else {// 否則使用JDK動態代理return new JdkDynamicAopProxy(config);}}... }Spring事務攔截
我們已經了解了AOP切面織入生成代理對象的過程，當Bean方法通過代理對象調用時，會觸發對應的AOP增強攔截器，前面提到聲明式事務是一種環繞增強，對應接口為 MethodInterceptor，事務增強對該接口的實現為 TransactionInterceptor，類圖如下：
事務攔截器 TransactionInterceptor在 invoke方法中，通過調用父類 TransactionAspectSupport的 invokeWithinTransaction方法進行事務處理，該方法支持聲明式事務和編程式事務。
// TransactionInterceptor.class @Override public Object invoke(final MethodInvocation invocation) throws Throwable {// 獲取targetClass...// Adapt to TransactionAspectSupport's invokeWithinTransaction...return invokeWithinTransaction(invocation.getMethod(), targetClass, new InvocationCallback() {@Overridepublic Object proceedWithInvocation() throws Throwable {// 實際執行目標方法return invocation.proceed();}}); } // TransactionInterceptor父類TransactionAspectSupport.class protected Object invokeWithinTransaction(Method method, Class<?> targetClass, final InvocationCallback invocation)throws Throwable {// If the transaction attribute is null, the method is non-transactional.// 查詢目標方法事務屬性、確定事務管理器、構造連接點標識（用于確認事務名稱）final TransactionAttribute txAttr = getTransactionAttributeSource().getTransactionAttribute(method, targetClass);final PlatformTransactionManager tm = determineTransactionManager(txAttr);final String joinpointIdentification = methodIdentification(method, targetClass, txAttr);if (txAttr == null || !(tm instanceof CallbackPreferringPlatformTransactionManager)) {// 事務獲取TransactionInfo txInfo = createTransactionIfNecessary(tm, txAttr, joinpointIdentification);Object retVal = null;try {// 通過回調執行目標方法retVal = invocation.proceedWithInvocation();}catch (Throwable ex) {// 目標方法執行拋出異常，根據異常類型執行事務提交或者回滾操作completeTransactionAfterThrowing(txInfo, ex);throw ex;}finally {// 清理當前線程事務信息cleanupTransactionInfo(txInfo);}// 目標方法執行成功，提交事務commitTransactionAfterReturning(txInfo);return retVal;} else {// 帶回調的事務執行處理，一般用于編程式事務...} }在講Spring事務抽象時，有提到事務抽象的核心接口為 PlatformTransactionManager，它負責管理事務行為，包括事務的獲取、提交和回滾。在 invokeWithinTransaction方法中，我們可以看到 createTransactionIfNecessary、 commitTransactionAfterReturning和 completeTransactionAfterThrowing都是針對該接口編程，并不依賴于特定事務管理器，這里是對Spring事務抽象的實現。
//TransactionAspectSupport.class protected TransactionInfo createTransactionIfNecessary(PlatformTransactionManager tm, TransactionAttribute txAttr, final String joinpointIdentification) {...TransactionStatus status = null;if (txAttr != null) {if (tm != null) {// 獲取事務status = tm.getTransaction(txAttr);... } protected void commitTransactionAfterReturning(TransactionInfo txInfo) {if (txInfo != null && txInfo.hasTransaction()) {...// 提交事務txInfo.getTransactionManager().commit(txInfo.getTransactionStatus());} } protected void completeTransactionAfterThrowing(TransactionInfo txInfo, Throwable ex) {if (txInfo != null && txInfo.hasTransaction()) {...if (txInfo.transactionAttribute.rollbackOn(ex)) {try {// 異常類型為回滾異常，執行事務回滾txInfo.getTransactionManager().rollback(txInfo.getTransactionStatus());}...} else {try {// 異常類型為非回滾異常，仍然執行事務提交txInfo.getTransactionManager().commit(txInfo.getTransactionStatus());}... } protected final class TransactionInfo {private final PlatformTransactionManager transactionManager;...另外，在獲取事務時， AbstractPlatformTransactionManager#doBegin方法負責開啟新事務，在 DataSourceTransactionManager有如下代碼：
@Override protected void doBegin(Object transaction, TransactionDefinition definition) {// 獲取數據庫連接con...if (con.getAutoCommit()) {txObject.setMustRestoreAutoCommit(true);if (logger.isDebugEnabled()) {logger.debug("Switching JDBC Connection [" + con + "] to manual commit");}con.setAutoCommit(false);}... }這里才真正開啟了數據庫事務。
Spring事務同步
提到事務傳播機制時，我們經常提到一個條件“如果當前已有事務”，那么Spring是如何知道當前是否已經開啟了事務呢？在 AbstractPlatformTransactionManager中是這樣做的：
// AbstractPlatformTransactionManager.class @Override public final TransactionStatus getTransaction(TransactionDefinition definition) throws TransactionException {Object transaction = doGetTransaction();// 參數為null時構造默認值...if (isExistingTransaction(transaction)) {// Existing transaction found -> check propagation behavior to find out how to behave.return handleExistingTransaction(definition, transaction, debugEnabled);}... // 獲取當前事務對象 protected abstract Object doGetTransaction() throws TransactionException; // 判斷當前事務對象是否包含活躍事務 protected boolean isExistingTransaction(Object transaction) throws TransactionException {return false; }注意 getTransaction方法是 final的，無法被子類覆蓋，保證了獲取事務流程的一致和穩定。抽象方法 doGetTransaction獲取當前事務對象，方法 isExistingTransaction判斷當前事務對象是否存在活躍事務，具體邏輯由特定事務管理器實現，看下我們使用最多的 DataSourceTransactionManager對應的實現：
// DataSourceTransactionManager.class @Override protected Object doGetTransaction() {DataSourceTransactionObject txObject = new DataSourceTransactionObject();txObject.setSavepointAllowed(isNestedTransactionAllowed());ConnectionHolder conHolder =(ConnectionHolder) TransactionSynchronizationManager.getResource(this.dataSource);txObject.setConnectionHolder(conHolder, false);return txObject; } @Override protected boolean isExistingTransaction(Object transaction) {DataSourceTransactionObject txObject = (DataSourceTransactionObject) transaction;return (txObject.hasConnectionHolder() && txObject.getConnectionHolder().isTransactionActive()); }可以看到，獲取當前事務對象時，使用了 TransactionSynchronizationManager#getResource方法，類圖如下：
TransactionSynchronizationManager通過 ThreadLocal對象在當前線程記錄了 resources和 synchronizations屬性。 resources是一個HashMap，用于記錄當前參與事務的事務資源，方便進行事務同步，在 DataSourceTransactionManager的例子中就是以 dataSource作為key，保存了數據庫連接，這樣在同一個線程中，不同的方法調用就可以通過 dataSource獲取相同的數據庫連接，從而保證所有操作在一個事務中進行。 synchronizations屬性是一個 TransactionSynchronization對象的集合， AbstractPlatformTransactionManager類中定義了事務操作各個階段的調用流程，以事務提交為例：
// AbstractPlatformTransactionManager.class private void processCommit(DefaultTransactionStatus status) throws TransactionException {try {boolean beforeCompletionInvoked = false;try {prepareForCommit(status);triggerBeforeCommit(status);triggerBeforeCompletion(status);....else if (status.isNewTransaction()) {// 記錄日志...doCommit(status);}...// 事務調用異常處理...try {triggerAfterCommit(status);}finally {triggerAfterCompletion(status, TransactionSynchronization.STATUS_COMMITTED);}} }我們可以看到，有很多trigger前綴的方法，這些方法用于在事務操作的各個階段觸發回調，從而可以精確控制在事務執行的不同階段所要執行的操作，這些回調實際上都通過 TransactionSynchronizationUtils來實現，它會遍歷 TransactionSynchronizationManager#synchronizations集合中的 TransactionSynchronization對象，然后分別觸發集合中各元素對應方法的調用。例如：
TransactionSynchronizationManager.registerSynchronization(new TransactionSynchronizationAdapter() {@Overridepublic void afterCommit() {// do something after commit} });這段代碼就在當前線程的事務 synchronizations屬性中，添加了一個自定義同步類，如果當前存在事務，那么在事務管理器執行事務提交之后，就會觸發 afterCommit方法，可以通過這種方式在事務執行的不同階段自定義一些操作。
到這里，我們已經對Spring事務的實現原理和處理流程有了一定的了解。
更多技術干貨分享，點擊【閱讀原文】。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的【技术干货】Spring事务原理一探的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 互联网1分钟 |0103
- 下一篇： 互联网1分钟 |0104