Spring在多线程环境下如何确保事务一致性

问题在现
如何解决异步执行
多线程环境下如何确保事务一致性
事务王国回顾
事务实现方式回顾
编程式事务
利用编程式事务解决问题
问题分析完了，那么如何解决问题呢？
小结

问题在现

我先把问题抛出来，大家就明白本文目的在于解决什么样的业务痛点了

public void removeAuthorityModuleSeq(Integer authorityModuleId, IAuthorityService iAuthorityService, IRoleAuthorityService iRoleAuthorityService) {//1.查询出当前资源模块下所有资源,查询出来后进行删除deleteAuthoritiesOfCurrentAuthorityModule(authorityModuleId, iAuthorityService, iRoleAuthorityService);//2.查询出当前资源模块下所有子模块,递归查询,当删除完所有子模块下的资源后,再删除所有子模块,最终删除当前资源模块deleteSonAuthorityModuleUnderCurrentAuthorityModule(authorityModuleId, iAuthorityService, iRoleAuthorityService);//3.删除当前资源模块removeById(authorityModuleId);
}

如果我希望将步骤1和步骤2并行执行，然后确保步骤1和步骤2执行成功后，再执行步骤3，等到步骤3执行完毕后，再提交全部事务，这个需求该如何实现呢？

如何解决异步执行

上面需求第一点是: 如何让任务异步并行执行,如何实现二元依赖呢？

说到异步执行，很多小伙伴首先想到Spring中提供的@Async注解，但是Spring提供的异步执行任务能力并不足以解决我们当前的需求。

@Async注解原理简单来说，就是扫描IOC中的bean,给方法上标注有@Async注解的bean进行代理，代理的核心是添加一个MethodInterceptor即AsyncExecutionInterceptor，该方法拦截器负责将方法真正的执行包装为任务，放入线程池中执行。

下面我们先使用CompletableFuture来完成我们第一步需求

public void removeAuthorityModuleSeq(Integer authorityModuleId, IAuthorityService iAuthorityService, IRoleAuthorityService iRoleAuthorityService) {CompletableFuture.runAsync(()->{//两个并行执行的任务CompletableFuture<Void> future1 = CompletableFuture.runAsync(() ->deleteAuthoritiesOfCurrentAuthorityModule(authorityModuleId, iAuthorityService, iRoleAuthorityService),executor);CompletableFuture<Void> future2 = CompletableFuture.runAsync(() ->deleteSonAuthorityModuleUnderCurrentAuthorityModule(authorityModuleId, iAuthorityService, iRoleAuthorityService), executor);//等待两个并行任务执行完后,再执行最后一个步骤CompletableFuture.allOf(future1,future2).thenRun(()->removeById(authorityModuleId));},executor);
}

多线程环境下如何确保事务一致性

我们已经完成了任务的异步执行化，那么又如何确保多线程环境下的事务一致性问题呢？

public void removeAuthorityModuleSeq(Integer authorityModuleId, IAuthorityService iAuthorityService, IRoleAuthorityService iRoleAuthorityService) {CompletableFuture.runAsync(()->{//两个并行执行的任务CompletableFuture<Void> future1 = CompletableFuture.runAsync(() ->deleteAuthoritiesOfCurrentAuthorityModule(authorityModuleId, iAuthorityService, iRoleAuthorityService),executor);CompletableFuture<Void> future2 = CompletableFuture.runAsync(() ->deleteSonAuthorityModuleUnderCurrentAuthorityModule(authorityModuleId, iAuthorityService, iRoleAuthorityService), executor);//等待两个并行任务执行完后,再执行最后一个步骤CompletableFuture.allOf(future1,future2).thenRun(()->removeById(authorityModuleId));},executor);
}

在Spring环境下说到事务控制，大家第一反应就想到使用@Transactional注解解决问题，但是这里显然行不通，为什么行不通呢？

我还是简单的对Spring事务实现原理进行一番概括:

事务王国回顾

事务管理大体分为三个流程： 事务创建 ,事务执行,事务结束

事务创建涉及到一些属性的配置,如:

事务的隔离级别
事务的传播行为
事务的超时时间
是否为只读事务
…

由于涉及属性颇多，并且后期还有可能进行扩展，因此必须通过一个类来封装这些属性，在Spring中对应TransactionDefinition。

有了事务相关属性定义后，我们就可以利用TransactionDefinition来创建一个事务了,在Spring中局部事务由PlatformTransactionManager负责管理，创建事务也是由PlatformTransactionManager负责提供

TransactionStatus getTransaction(@Nullable TransactionDefinition definition)throws TransactionException;

如果我们希望追踪事务的状态，例如: 事务已完成,事务回滚等，那么就需要一个事务状态类贯穿当前事务的执行流程，在Spring中由TransactionStatus负责完成。

对于常见的数据源而言，通常需要记录的事务状态有如下几点:

当前事务是否是新事务
当前事务是否结束
当前事务是否需要回滚(通过标记来判断,因此我也可以在业务流程中手动设置标记为true,来让事务在没有发生异常的情况下进行回滚)
当前事务是否设置了回滚点(savePoint)

事务的执行过程就是具体业务代码的执行流程，这里就不多说了。

事务的结束分为两种情况: 需要进行事务回滚或者事务正常提交，如果是事务回滚，还需要判断TransactionStatus 中的savePoint是否被设置了。

事务实现方式回顾

Spring中常见的事务实现方式有两种: 编程式和声明式。

编程式事务使用是本文重点，因此这里按下不表，我们先来复习一下声明式事务的使用。

声明式事务就是使用我们常见的@Transactional注解完成的，声明式事务优点就在于让事务代码与业务代码解耦，通过Spring中提供的声明式事务使用，我们也可以发觉我们只需要编写业务代码即可，而事务的管理基本不需要我们操心，Spring就像使用了魔法一样，帮我们自动完成了。

之所以那么神奇，本质还是依靠Spring框架提供的Bean生命周期相关回调接口和AOP结合完成的，简述如下:

通过自动代理创建器依次尝试为每个放入容器中的bean尝试进行代理
尝试进行代理的过程对于事务管理来说，就是利用事务管理涉及到的增强器advisor，即TransactionAttributeSourceAdvisor
判断当前增强器是否能够应用与当前bean上，怎么判断呢？ —> advisor内部的pointCut喽！
如果能够应用，那么好，为当前bean创建代理对象返回，并且往代理对象内部添加一个TransactionInterceptor拦截器。
此时我们再从容器中获取，拿到的就是代理对象了，当我们调用代理对象的方法时，首先要经过代理对象内部拦截器链的处理，处理完后，最终才会调用被代理对象的方法。(这里其实就是责任链模式的应用)

对于被事务增强器TransactionAttributeSourceAdvisor代理的bean而言，代理对象内部会存在一个TransactionInterceptor，该拦截器内部构造了一个事务执行的模板流程:

protected Object invokeWithinTransaction(Method method, @Nullable Class<?> targetClass,final InvocationCallback invocation) throws Throwable {//TransactionAttributeSource内部保存着当前类某个方法对应的TransactionAttribute---事务属性源//可以看做是一个存放TransactionAttribute与method方法映射的池子TransactionAttributeSource tas = getTransactionAttributeSource();//获取当前事务方法对应的TransactionAttributefinal TransactionAttribute txAttr = (tas != null ? tas.getTransactionAttribute(method, targetClass) : null);//定位TransactionManagerfinal TransactionManager tm = determineTransactionManager(txAttr);.....//类型转换为局部事务管理器PlatformTransactionManager ptm = asPlatformTransactionManager(tm);final String joinpointIdentification = methodIdentification(method, targetClass, txAttr);if (txAttr == null || !(ptm instanceof CallbackPreferringPlatformTransactionManager)) {//TransactionManager根据TransactionAttribute创建事务后返回//TransactionInfo封装了当前事务的信息--包括TransactionStatusTransactionInfo txInfo = createTransactionIfNecessary(ptm, txAttr, joinpointIdentification);Object retVal;try {//继续执行过滤器链---过滤链最终会调用目标方法//因此可以理解为这里是调用目标方法retVal = invocation.proceedWithInvocation();}catch (Throwable ex) {//目标方法抛出异常则进行判断是否需要回滚completeTransactionAfterThrowing(txInfo, ex);throw ex;}finally {//清除当前事务信息cleanupTransactionInfo(txInfo);}...//正常返回,那么就正常提交事务呗(当然还是需要判断TransactionStatus状态先)commitTransactionAfterReturning(txInfo);return retVal;}...

编程式事务

还记得本文一开始提出的业务需求吗？

不清楚，可以回看一下，在上文，我们已经解决了任务异步并行执行的难题，下面我们需要解决的就是如何确保Spring在多线程环境下也能保持事务一致性。

通过上文对Spring事务基础和声明式事务的原理回顾，相信大家也发现了，声明式事务并不能解决我们当前的问题，那么就只能求助于编程式事务了。

那么编程式事务是什么样子呢？

其实上面TransactionInterceptor给出的那套模板流程，就是编程式事务使用的模范案例，我们可以简化上面的模板流程，简单使用如下:

public class TransactionMain {public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, SQLException {test();}private static void test() {DataSource dataSource = getDS();JdbcTransactionManager jtm = new JdbcTransactionManager(dataSource);//JdbcTransactionManager根据TransactionDefinition信息来进行一些连接属性的设置//包括隔离级别和传播行为等DefaultTransactionDefinition transactionDef = new DefaultTransactionDefinition();//开启一个新事务---此时autocommit已经被设置为了false,并且当前没有事务,这里创建的是一个新事务TransactionStatus ts = jtm.getTransaction(transactionDef);//进行业务逻辑操作try {update(dataSource);jtm.commit(ts);}catch (Exception e){jtm.rollback(ts);System.out.println("发生异常,我已回滚");}}private static void update(DataSource dataSource) throws Exception {JdbcTemplate jt = new JdbcTemplate();jt.setDataSource(dataSource);jt.update("UPDATE Department SET Dname=\"大忽悠\" WHERE id=6");throw new Exception("我是来捣乱的");}
}

利用编程式事务解决问题

我们明白了编程式事务的使用，相信大家也都知道问题如何解决了，下面我给出一份看似正确的解决方案:

/*** 多线程事务一致性管理 <br>* 声明式事务管理无法完成,此时我们只能采用初期的编程式事务管理才行* @author * @create 2022/10/19 21:34*/
@Component
@RequiredArgsConstructor
public class MultiplyThreadTransactionManager {/*** 如果是多数据源的情况下,需要指定具体是哪一个数据源*/private final DataSource dataSource;/*** 执行的是无返回值的任务* @param tasks 异步执行的任务列表* @param executor 异步执行任务需要用到的线程池,考虑到线程池需要隔离,这里强制要求传*/public void runAsyncButWaitUntilAllDown(List<Runnable> tasks, Executor executor) {if(executor==null){throw new IllegalArgumentException("线程池不能为空");}DataSourceTransactionManager transactionManager = getTransactionManager();//是否发生了异常AtomicBoolean ex=new AtomicBoolean();List<CompletableFuture> taskFutureList=new ArrayList<>(tasks.size());List<TransactionStatus> transactionStatusList=new ArrayList<>(tasks.size());tasks.forEach(task->{taskFutureList.add(CompletableFuture.runAsync(() -> {try{//1.开启新事务transactionStatusList.add(openNewTransaction(transactionManager));//2.异步任务执行task.run();}catch (Throwable throwable){//打印异常throwable.printStackTrace();//其中某个异步任务执行出现了异常,进行标记ex.set(Boolean.TRUE);//其他任务还没执行的不需要执行了taskFutureList.forEach(completableFuture -> completableFuture.cancel(true));}}, executor));});try {//阻塞直到所有任务全部执行结束---如果有任务被取消,这里会抛出异常滴,需要捕获CompletableFuture.allOf(taskFutureList.toArray(new CompletableFuture[]{})).get();} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();}//发生了异常则进行回滚操作,否则提交if(ex.get()){System.out.println("发生异常,全部事务回滚");transactionStatusList.forEach(transactionManager::rollback);}else {System.out.println("全部事务正常提交");transactionStatusList.forEach(transactionManager::commit);}}private TransactionStatus openNewTransaction(DataSourceTransactionManager transactionManager) {//JdbcTransactionManager根据TransactionDefinition信息来进行一些连接属性的设置//包括隔离级别和传播行为等DefaultTransactionDefinition transactionDef = new DefaultTransactionDefinition();//开启一个新事务---此时autocommit已经被设置为了false,并且当前没有事务,这里创建的是一个新事务return transactionManager.getTransaction(transactionDef);}private DataSourceTransactionManager getTransactionManager() {return new DataSourceTransactionManager(dataSource);}
}

大家思考上面的代码存在问题吗?

测试:

public void test(){List<Runnable> tasks=new ArrayList<>();tasks.add(()->{userMapper.deleteById(26);});tasks.add(()->{signMapper.deleteById(10);});multiplyThreadTransactionManager.runAsyncButWaitUntilAllDown(tasks, Executors.newCachedThreadPool());
}

任务正常都执行完毕，事务进行提交，但是会抛出异常，导致事务回滚
在这里插入图片描述
抓关键字:

No value for key [HikariDataSource (HikariPool-1)] bound to thread [main]
解释: 无法在当前线程绑定的threadLocal中寻找到HikariDataSource作为key,对应关联的资源对象ConnectionHolder

这里需要再次回顾一下Spring事务实现的小细节:

一次事务的完成通常都是默认在当前线程内完成的，又因为一次事务的执行过程中，涉及到对当前数据库连接Connection的操作，因此为了避免将Connection在事务执行过程中来回传递，我们可以将Connextion绑定到当前事务执行线程对应的ThreadLocalMap内部，顺便还可以将一些其他属性也放入其中进行保存，在Spring中，负责保存这些ThreadLocal属性的实现类由TransactionSynchronizationManager承担。

TransactionSynchronizationManager类内部默认提供了下面六个ThreadLocal属性，分别保存当前线程对应的不同事务资源：

//保存当前事务关联的资源--默认只会在新建事务的时候保存当前获取到的DataSource和当前事务对应Connection的映射关系--当然这里Connection被包装为了ConnectionHolderprivate static final ThreadLocal<Map<Object, Object>> resources =new NamedThreadLocal<>("Transactional resources");//事务监听者--在事务执行到某个阶段的过程中，会去回调监听者对应的回调接口(典型观察者模式的应用)---默认为空集合private static final ThreadLocal<Set<TransactionSynchronization>> synchronizations =new NamedThreadLocal<>("Transaction synchronizations");//见名知意: 存放当前事务名字private static final ThreadLocal<String> currentTransactionName =new NamedThreadLocal<>("Current transaction name");//见名知意: 存放当前事务是否是只读事务private static final ThreadLocal<Boolean> currentTransactionReadOnly =new NamedThreadLocal<>("Current transaction read-only status");//见名知意: 存放当前事务的隔离级别private static final ThreadLocal<Integer> currentTransactionIsolationLevel =new NamedThreadLocal<>("Current transaction isolation level");//见名知意: 存放当前事务是否处于激活状态private static final ThreadLocal<Boolean> actualTransactionActive =new NamedThreadLocal<>("Actual transaction active");

那么上面抛出的异常的原因也就很清楚了，无法在main线程找到当前事务对应的资源，原因如下:
在这里插入图片描述

开启新事务时，事务相关资源都被绑定到了thread-cache-pool-1线程对应的threadLocalMap内部，而当执行事务提交代码时，commit内部需要从TransactionSynchronizationManager中获取当前事务的资源，显然我们无法从main线程对应的threadLocalMap中获取到对应的事务资源，这也就是异常抛出的原因。

问题分析完了，那么如何解决问题呢？

这里给出一个我首先想到的简单粗暴的方法—CopyTransactionResource—将事务资源在两个线程间来回复制

这里给出解决后问题后的代码示例

/*** 多线程事务一致性管理 <br>* 声明式事务管理无法完成,此时我们只能采用初期的编程式事务管理才行* @author * @create 2022/10/19 21:34*/
@Component
@RequiredArgsConstructor
public class MultiplyThreadTransactionManager {/*** 如果是多数据源的情况下,需要指定具体是哪一个数据源*/private final DataSource dataSource;/*** 执行的是无返回值的任务* @param tasks 异步执行的任务列表* @param executor 异步执行任务需要用到的线程池,考虑到线程池需要隔离,这里强制要求传*/public void runAsyncButWaitUntilAllDown(List<Runnable> tasks, Executor executor) {if(executor==null){throw new IllegalArgumentException("线程池不能为空");}DataSourceTransactionManager transactionManager = getTransactionManager();//是否发生了异常AtomicBoolean ex=new AtomicBoolean();List<CompletableFuture> taskFutureList=new ArrayList<>(tasks.size());List<TransactionStatus> transactionStatusList=new ArrayList<>(tasks.size());List<TransactionResource> transactionResources=new ArrayList<>(tasks.size());tasks.forEach(task->{taskFutureList.add(CompletableFuture.runAsync(() -> {try{//1.开启新事务transactionStatusList.add(openNewTransaction(transactionManager));//2.copy事务资源transactionResources.add(TransactionResource.copyTransactionResource());//3.异步任务执行task.run();}catch (Throwable throwable){//打印异常throwable.printStackTrace();//其中某个异步任务执行出现了异常,进行标记ex.set(Boolean.TRUE);//其他任务还没执行的不需要执行了taskFutureList.forEach(completableFuture -> completableFuture.cancel(true));}}, executor));});try {//阻塞直到所有任务全部执行结束---如果有任务被取消,这里会抛出异常滴,需要捕获CompletableFuture.allOf(taskFutureList.toArray(new CompletableFuture[]{})).get();} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();}//发生了异常则进行回滚操作,否则提交if(ex.get()){System.out.println("发生异常,全部事务回滚");for (int i = 0; i < tasks.size(); i++) {transactionResources.get(i).autoWiredTransactionResource();transactionManager.rollback(transactionStatusList.get(i));transactionResources.get(i).removeTransactionResource();}}else {System.out.println("全部事务正常提交");for (int i = 0; i < tasks.size(); i++) {transactionResources.get(i).autoWiredTransactionResource();transactionManager.commit(transactionStatusList.get(i));transactionResources.get(i).removeTransactionResource();}}}private TransactionStatus openNewTransaction(DataSourceTransactionManager transactionManager) {//JdbcTransactionManager根据TransactionDefinition信息来进行一些连接属性的设置//包括隔离级别和传播行为等DefaultTransactionDefinition transactionDef = new DefaultTransactionDefinition();//开启一个新事务---此时autocommit已经被设置为了false,并且当前没有事务,这里创建的是一个新事务return transactionManager.getTransaction(transactionDef);}private DataSourceTransactionManager getTransactionManager() {return new DataSourceTransactionManager(dataSource);}/*** 保存当前事务资源,用于线程间的事务资源COPY操作*/@Builderprivate static class TransactionResource{//事务结束后默认会移除集合中的DataSource作为key关联的资源记录private  Map<Object, Object> resources = new HashMap<>();//下面五个属性会在事务结束后被自动清理,无需我们手动清理private  Set<TransactionSynchronization> synchronizations =new HashSet<>();private  String currentTransactionName;private Boolean currentTransactionReadOnly;private Integer currentTransactionIsolationLevel;private Boolean actualTransactionActive;public static TransactionResource copyTransactionResource(){return TransactionResource.builder()//返回的是不可变集合.resources(TransactionSynchronizationManager.getResourceMap())//如果需要注册事务监听者,这里记得修改--我们这里不需要,就采用默认负责--spring事务内部默认也是这个值.synchronizations(new LinkedHashSet<>()).currentTransactionName(TransactionSynchronizationManager.getCurrentTransactionName()).currentTransactionReadOnly(TransactionSynchronizationManager.isCurrentTransactionReadOnly()).currentTransactionIsolationLevel(TransactionSynchronizationManager.getCurrentTransactionIsolationLevel()).actualTransactionActive(TransactionSynchronizationManager.isActualTransactionActive()).build();}public void autoWiredTransactionResource(){resources.forEach(TransactionSynchronizationManager::bindResource);//如果需要注册事务监听者,这里记得修改--我们这里不需要,就采用默认负责--spring事务内部默认也是这个值TransactionSynchronizationManager.initSynchronization();TransactionSynchronizationManager.setActualTransactionActive(actualTransactionActive);TransactionSynchronizationManager.setCurrentTransactionName(currentTransactionName);TransactionSynchronizationManager.setCurrentTransactionIsolationLevel(currentTransactionIsolationLevel);TransactionSynchronizationManager.setCurrentTransactionReadOnly(currentTransactionReadOnly);}public void removeTransactionResource() {//事务结束后默认会移除集合中的DataSource作为key关联的资源记录//DataSource如果重复移除,unbindResource时会因为不存在此key关联的事务资源而报错resources.keySet().forEach(key->{if(!(key instanceof  DataSource)){TransactionSynchronizationManager.unbindResource(key);}});}}
}

增加异常抛出，测试是否能够保证多线程间的事务一致性:

@SpringBootTest(classes = UserMain.class)
public class Test {@Resourceprivate UserMapper userMapper;@Resourceprivate SignMapper signMapper;@Resourceprivate MultiplyThreadTransactionManager multiplyThreadTransactionManager;@SneakyThrows@org.junit.jupiter.api.Testpublic void test(){List<Runnable> tasks=new ArrayList<>();tasks.add(()->{userMapper.deleteById(26);throw new RuntimeException("我就要抛出异常!");});tasks.add(()->{signMapper.deleteById(10);});multiplyThreadTransactionManager.runAsyncButWaitUntilAllDown(tasks, Executors.newCachedThreadPool());}
}