分布式事务 | 使用 dotnetcore/CAP 的本地消息表模式

本地消息表模式

本地消息表模式，其作为柔性事务的一种，核心是将一个分布式事务拆分为多个本地事务，事务之间通过事件消息衔接，事件消息和上个事务共用一个本地事务存储到本地消息表，再通过定时任务轮询本地消息表进行消息投递，下游业务订阅消息进行消费，本质上是依靠消息的重试机制达到最终一致性。其示意图如下所示，主要分为以下三步：

1. 本地业务数据和发布的事件消息共享同一个本地事务，进行数据落库，其中事件消息持久化到单独的事件发件箱表中。
2. 单独的进程或线程不断查询发件箱表中未发布的事件消息。
3. 将未发布的事件消息发布到消息代理，然后将消息的状态更新为已发布。

dotnetcore/CAP 简介

在《.NET 微服务：适用于容器化 .NET 应用程序的体系结构》电子书中，提及了如何设计兼具原子性和弹性的事件总线，其中提出了三种思路：使用完整的事件溯源模式，使用事务日志挖掘，使用发件箱模式（The outbox pattern）。其中事件溯源模式实现相对复杂，事务日志挖掘局限于特定类型数据库，而发件箱模式则是一种相对平衡的实现方式，其基于事务数据库表和简化的事件溯源模式。发件箱模式的示意图如下所示：

从上图可以看出，其实现原理与上面提及的本地消息表模式十分相似，我们可以理解其也是本地消息表模式的一种实现。作者Savorboard也正是受该电子书启发，实现了.NET版本的本地消息表模式，并命名为dotnetcore/CAP，其架构如下图所示。其同时也兼具EventBus的功能，其支持主流消息代理，如RabbitMQ、Redis、Kafka和Pulsar，同时支持多种持久化存储方式进行消息存储，包括MySQL、PostgreSQL、SQL Server和MongoDB。因此基于dotnetcore/CAP，.NET 开发者也可以快速实现微服务间的异步通信和解决分布式事务问题。

基于dotnetcore/CAP 实现分布式事务

那具体如何使用dotnetcore/CAP来解决分布式事务问题呢，基于本地消息表加补偿模式实现。dotnetcore/CAP的补偿模式比较巧妙，其基于发布事件的方法签名中提供了一个回调参数。发布方法的事件签名为：PublishAsync<T>(string name, T? contentObj, string? callbackName=null)，第一个参数是事件名称，第二个参数为事件数据包，第三个参数用来指定于接收事件消费结果的回调地址（事件），但是否触发回调，取决于事件订阅方是否定义返回参数，若有则触发。如果基于CAP实现下单流程，则其流程如下所示：

接下来就来创建解决方案来实现以上下单流程示例。依次创建以下项目，订单服务、库存服务和支付服务均依赖共享类库项目，其中共享类库添加DotNetCore.Cap、DotNetCore.Cap.MySql和DotNetCore.Cap.RabbitMQNuGet包。

订单服务

订单服务首先需要暴露WebApi用于订单的创建，为了方便数据的持久化，首先添加Pomelo.EntityFrameworkCore.MySqlNuget包，然后创建OrderDbContext：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Threading.Tasks;
using Microsoft.EntityFrameworkCore;
using CapDemo.OrderService.Domains;

namespace CapDemo.OrderService.Data
{
    public class OrderDbContext : DbContext
    {
        public OrderDbContext (DbContextOptions<OrderDbContext> options)
            : base(options) {}

        public DbSet<CapDemo.OrderService.Domains.Order> Order { get; set; } = default!;
    }
}

然后创建OrdersController并添加PostOrder方法如下所示：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Threading.Tasks;
using Microsoft.AspNetCore.Http;
using Microsoft.AspNetCore.Mvc;
using Microsoft.EntityFrameworkCore;
using CapDemo.OrderService.Data;
using CapDemo.OrderService.Domains;
using DotNetCore.CAP;
using CapDemo.Shared;
using CapDemo.Shared.Models;

namespace CapDemo.OrderService.Controllers
{
    [Route("api/[controller]")]
    [ApiController]
    public class OrdersController : ControllerBase
    {
        private readonly OrderDbContext _context;
        private readonly ICapPublisher _capPublisher;
        private readonly ILogger<OrdersController> _logger;

        public OrdersController(OrderDbContext context, ICapPublisher capPublisher,ILogger<OrdersController> logger)
        {
            _context = context;
            _capPublisher = capPublisher;
            _logger = logger;
        }
        [HttpPost]
        public async Task<ActionResult<Order>> PostOrder(CreateOrderDto orderDto)
        {
            var shoppingItems =
                orderDto.ShoppingCartItems.Select(item => new ShoppingCartItem(item.SkuId, item.Price, item.Qty));
            var order = new Order(orderDto.CustomerId).NewOrder(shoppingItems.ToArray());
            
            using (var trans = _context.Database.BeginTransaction(_capPublisher, autoCommit: false))
            {
                _context.Order.Add(order);

                var deduceDto = new DeduceInventoryDto()
                {
                    OrderId = order.OrderId,
                    DeduceStockItems = order.OrderItems.Select(
                        item => new DeduceStockItem(item.SkuId, item.Qty, item.Price)).ToList()
                };
                await _capPublisher.PublishAsync(TopicConsts.DeduceInventoryCommand,deduceDto,
                    callbackName: TopicConsts.CancelOrderCommand);
                await _context.SaveChangesAsync();
                await trans.CommitAsync();
            }
                
            _logger.LogInformation($"Order [{order.OrderId}] created successfully!");

            return CreatedAtAction("GetOrder", new { id = order.OrderId }, order);
        }
    }
}

从代码中可以看出，在订单持久化和事件发布之前先行使用事务包裹：using (var trans = _context.Database.BeginTransaction(_capPublisher, autoCommit: false)) {}，以确保订单和事件的持久化共享同一个事务，这一步是使用CAP的重中之重。订单服务通过注入了ICapPublisher服务，并通过PublishAsync方法发布扣减库存事件，并指定了callbackName: TopicConsts.CancelOrderCommand。
订单服务还需要订阅取消订单和订单支付结果的事件，进行订单状态的更新，添加OrderConsumers如下所示，其中通过实现ICapSubscribe接口来显式标记为消费者，然后定义方法并在方法体上通过[CapSubscribe]特性指定订阅的事件名称来完成事件的消费。

using CapDemo.OrderService.Data;
using CapDemo.Shared;
using DotNetCore.CAP;

namespace CapDemo.OrderService.Consumers;

public class OrderConsumers:ICapSubscribe
{
    private readonly OrderDbContext _orderDbContext;
    private readonly ILogger<OrderConsumers> _logger;

    public OrderConsumers(OrderDbContext orderDbContext,ILogger<OrderConsumers> logger)
    {
        _orderDbContext = orderDbContext;
        _logger = logger;
    }
    [CapSubscribe(TopicConsts.CancelOrderCommand)]
    public async Task CancelOrder(string orderId)
    {
        if(string.IsNullOrEmpty(orderId)) return;
        var order = await _orderDbContext.Order.FindAsync(orderId);
        order?.CancelOrder();
        _logger.LogWarning($"Order [{orderId}] has been canceled!");
        await _orderDbContext.SaveChangesAsync();
    }

    [CapSubscribe(TopicConsts.PayOrderSucceedTopic)]
    public async  Task MarkToPaid(string orderId)
    {
        var order = await _orderDbContext.Order.FindAsync(orderId);
        
        order?.UpdateToPaid();

        await _orderDbContext.SaveChangesAsync();
    }
}

最后修改Program.cs添加CAP服务和消费者的注册。

using CapDemo.OrderService.Consumers;
using CapDemo.OrderService.Data;
using Microsoft.EntityFrameworkCore;
using DotNetCore.CAP;

var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);

// 注册 DbContext
var connectionStr = builder.Configuration.GetConnectionString("Default");
builder.Services.AddDbContext<OrderDbContext>(options =>
    options.UseMySql(connectionStr ?? throw new InvalidOperationException("Connection string 'OrderDbContext' not found."), ServerVersion.AutoDetect(connectionStr)));
// 注册CAP
builder.Services.AddCap(x =>
{
    x.UseEntityFramework<OrderDbContext>();
    x.UseRabbitMQ("localhost");
});
// 注册消费者
builder.Services.AddTransient<OrderConsumers>();

库存服务

库存服务在整个下单流程的职责主要是库存的扣减和返还，添加InventoryConsumer来消费库存扣减和返还事件即可。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Text.Json;
using System.Threading.Tasks;
using CapDemo.Shared;
using CapDemo.Shared.Models;
using DotNetCore.CAP;

namespace CapDemo.InventoryService.Consumers
{
    public class InventoryConsumer : ICapSubscribe
    {
        private readonly ILogger<InventoryConsumer> _logger;
        private readonly ICapPublisher _capPublisher;

        public InventoryConsumer(ILogger<InventoryConsumer> logger, ICapPublisher capPublisher)
        {
            _logger = logger;
            _capPublisher = capPublisher;
        }

        [CapSubscribe(TopicConsts.DeduceInventoryCommand)]
        public async Task DeduceInventory(DeduceInventoryDto deduceStockDto)
        {
            // 省略扣减库存逻辑，直接成功
            _logger.LogInformation($"Inventory has been deducted for order [{deduceStockDto.OrderId}]!");
            var amount = deduceStockDto.DeduceStockItems.Sum(t => t.Price * t.Qty);
            await _capPublisher.PublishAsync(TopicConsts.PayOrderCommand, new PayDto(deduceStockDto.OrderId, amount),
                callbackName: TopicConsts.ReturnInventoryTopic);
        }

        [CapSubscribe(TopicConsts.ReturnInventoryTopic)]
        public void ReturnInventory(PayResult payResult)
        {  
        	// 若支付失败，则执行库存返还并发布取消订单命令
            if (!payResult.IsSucceed)
            {
            	// 省略返还库存逻辑
                _logger.LogWarning($"Inventory has been returned for order [{payResult.OrderId}]");
                _capPublisher.PublishAsync(TopicConsts.CancelOrderCommand, payResult.OrderId);
            }
        }
    }
}

以上的库存扣减实现中省略了扣减库存逻辑，直接模拟成功扣减，也就无需触发回调，那就可以通过将方法签名定义为public async Task DeduceInventory(DeduceInventoryDto deduceStockDto)，这样就不会触发订单服务发布扣减库存事件时指定的回调。库存扣减成功随即发布支付订单的命令，由于不涉及其他数据持久化，因此无需手动开启事务。发布支付订单命令时指定了callbackName: TopicConsts.ReturnInventoryTopic，其将根据订单支付结果也就是ReturnInventory(PayResult payResult)中指定的入参决定是否返还库存。
最后同样需要在Program.cs中注入CAP服务和消费者：

using CapDemo.InventoryService;
using CapDemo.InventoryService.Consumers;

IHost host = Host.CreateDefaultBuilder(args)
    .ConfigureServices((context, services) =>
    {
        var connStr = context.Configuration.GetConnectionString("Default");
        services.AddCap(x =>
        {
            x.UseMySql(connStr);
            x.UseRabbitMQ("localhost");
        });

        services.AddTransient<InventoryConsumer>();
    })
    .Build();

await host.RunAsync();

支付服务

对于下单流程的支付用例来说，要么成功要么失败，并不需要像以上两个服务一样定义补偿逻辑，因此仅需要订阅支付订单命令即可，定义PaymentConsumers如下所示，因为库存服务发布支付订单命令时指定的回调依赖支付结果，因此该方法必须指定与回调匹配的返回参数类型，也就是PayResult。

using CapDemo.Shared;
using CapDemo.Shared.Models;
using DotNetCore.CAP;

namespace CapDemo.PaymentService.Consumers;

public class PaymentConsumers:ICapSubscribe
{
    private readonly ICapPublisher _capPublisher;
    private readonly ILogger<PaymentConsumers> _logger;

    public PaymentConsumers(ICapPublisher capPublisher,ILogger<PaymentConsumers> logger)
    {
        _capPublisher = capPublisher;
        _logger = logger;
    }
    [CapSubscribe(TopicConsts.PayOrderCommand)]
    public async Task<PayResult> Pay(PayDto payDto)
    {
        bool isSucceed = false;
        if (payDto.Amount % 2 == 0)
        {
            isSucceed = true;
            _logger.LogInformation($"Order [{payDto.OrderId}] paid successfully!");
            await _capPublisher.PublishAsync(TopicConsts.PayOrderSucceedTopic, payDto.OrderId);
        }
        else
        {
            isSucceed = false;
            _logger.LogWarning($"Order [{payDto.OrderId}] payment failed!");
        }

        return new PayResult(payDto.OrderId, isSucceed);
    }
}

最后同样需要在Program.cs中注入CAP服务和消费者：

using CapDemo.PaymentService;
using CapDemo.PaymentService.Consumers;

IHost host = Host.CreateDefaultBuilder(args)
    .ConfigureServices((context, services) =>
    {
        var connStr = context.Configuration.GetConnectionString("Default");
        services.AddCap(x =>
        {
            x.UseMySql(connStr);
            x.UseRabbitMQ("localhost");
        });
        services.AddTransient<PaymentConsumers>();
    })
    .Build();

await host.RunAsync();

运行结果

使用docker启动MySQL和RabbitMQ，然后再启动三个服务，并在订单服务的Swagger中发起订单创建请求，如下图所示：

最终执行结果如下图所示：

打开RabbitMQ后台，可以看见CAP为每个服务创建了一个唯一队列接收消息，并通过创建的名为cap.default.router的Exchange根据事件名称作为RoutingKey进行消息路由。

其中通过dotnetcore/CAP发布的消息结构如下图所示，该图是订单服务发布的扣减库存的消息。

打开MySQL，可以发现dotnetcore/CAP 根据配置的连接字符串，分别为各个服务创建了cap.published和cap.received消息表，如下图所示：

小结

通过以上示例，可以发现dotnetcore/CAP无疑是一个出色的事件总线，简单易用且能确保事件的有效送达。同时基于dotnetcore/CAP的本地消息表模式和补偿模式，也可以有效的实现分布式事务。但相较而言，补偿仅限于直接上下游服务之间，不能链式反向补偿，控制逻辑比较分散，属于协同式事务，各个服务需要订阅自己关注的事件并实现，适用于小中型项目，对于大型项目而言尤其需要注意事件的流转，以避免陷入事件漩涡。