【技术干货】Spring事务原理一探

Original 网易云信网易云信 2022-10-28

本篇文章是网易云信研发工程师对Spring事务实现原理及实现的研究和总结，分享给大家，希望和大家共同探讨。

事务是一个由有限操作集合组成的逻辑单元。事务操作包含两个目的，数据一致以及操作隔离。数据一致是指事务提交时保证事务内的所有操作都成功完成，并且更改永久生效；事务回滚时，保证能够恢复到事务执行之前的状态。操作隔离则是指多个同时执行的事务之间应该相互独立，互不影响。

事务是一个比较广泛的概念，事务管理资源除了我们熟知的数据库外，还可以包含消息队列、文件系统等。当然，一般来说，我们说的事务单指“数据库事务”。接下来我们会以MySQL数据库、Spring声明式事务为主要研究对象，但是很多事务概念、接口抽象和实现方式同时适用于其他情况。

事务属性和行为

ACID属性

提到事务，不可避免需要涉及到事务的ACID属性：

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）：已被提交的事务对数据库的修改应该永久保存在数据库中。

我们将严格遵循ACID属性的事务称为刚性事务。与之相对，期望最终一致性，在事务执行的中间状态允许暂时不遵循ACID属性的事务称为柔性事务，可参考《传统事务与柔性事务》（https://www.jianshu.com/p/ab1a1c6b08a1），柔性事务的使用涉及到分布式事务方案，可以后续扩展，这里我们先将注意集中在事务实现原理上。

隔离级别

根据SQL92标准，MySQL的InnoDB引擎提供四种隔离级别（即ACID中的I）：读未提交（READ UNCOMMITTED）、读已提交（READ COMMITTED）、可重复读（REPEATABLE READ）和串行化（SERIALIZABLE），InnoDB默认的隔离级别是 REPEATABLE READ，其可避免脏读和不可重复读，但不能避免幻读，需要指出的是，InnoDB引擎的多版本并发控制机制（MVCC）并没有完全避免幻读，关于该问题以及隔离级别说明，可参考《MySQL的InnoDB的幻读问题》（http://blog.sina.com.cn/s/blog_499740cb0100ugs7.html）。

传播机制

Spring针对方法嵌套调用时事务的创建行为定义了七种事务传播机制，分别是PROPAGATIONREQUIRED、PROPAGATIONSUPPORT、PROPAGATIONMANDATORY、PROPAGATIONREQUIRESNEW、PROPAGATIONNOTSUPPORTED、PROPAGATIONNEVER以及PROPAGATION_NESTED，基本上从字面意思就能知道每种传播机制各自的行为表现，Spring默认的事务传播机制是 PROPAGATION_REQUIRED，即如果当前存在事务，则使用当前事务，否则创建新的事务。详情可参考《Spring事务传播行为》（https://juejin.im/post/5ae9639af265da0b926564e7）。

事务行为

事务的行为包括事务开启、事务提交和事务回滚。InnoDB所有的用户SQL执行都在事务控制之内，在默认情况下，autocommit设置为 true，单条SQL执行成功后，MySQL会自动提交事务，或者如果SQL执行出错，则根据异常类型执行事务提交或者回滚。可以使用 START TRANSACTION（SQL标准）或者 BEGIN开启事务，使用 COMMIT和 ROLLBACK提交和回滚事务；也可以通过设置autocommit属性来控制事务行为，当设置autocommit为 false时，其后执行的多条SQL语句将在一个事务内，直到执行 COMMIT或者 ROLLBACK事务才会提交或者回滚。

AOP增强

Spring使用AOP（面向切面编程）来实现声明式事务，后续在讲Spring事务具体实现的时候会详细说明，关于AOP的概念可参考《Spring AOP概念理解》（通俗易懂）（https://juejin.im/post/5ae9639af265da0b926564e7），这里不再细说。说下动态代理和AOP增强。

动态代理是Spring实现AOP的默认方式，分为两种：JDK动态代理和CGLIB动态代理。JDK动态代理面向接口，通过反射生成目标代理接口的匿名实现类；CGLIB动态代理则通过继承，使用字节码增强技术（或者 objenesis类库）为目标代理类生成代理子类。Spring默认对接口实现使用JDK动态代理，对具体类使用CGLIB，同时也支持配置全局使用CGLIB来生成代理对象。

我们在切面配置中会使用到 @Aspect注解，这里用到了Aspectj的切面表达式。Aspectj是java语言实现的一个AOP框架，使用静态代理模式，拥有完善的AOP功能，与Spring AOP互为补充。Spring采用了Aspectj强大的切面表达式定义方式，但是默认情况下仍然使用动态代理方式，并未使用Aspectj的编译器和织入器，当然也支持配置使用Aspectj静态代理替代动态代理方式。Aspectj功能更强大，比方说它支持对字段、POJO类进行增强，与之相对，Spring只支持对Bean方法级别进行增强。

Spring对方法的增强有五种方式：

前置增强（ org.springframework.aop.BeforeAdvice）：在目标方法执行之前进行增强；
后置增强（ org.springframework.aop.AfterReturningAdvice）：在目标方法执行之后进行增强；
环绕增强（ org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor）：在目标方法执行前后都执行增强；
异常抛出增强（ org.springframework.aop.ThrowsAdvice）：在目标方法抛出异常后执行增强；
引介增强（ org.springframework.aop.IntroductionInterceptor）：为目标类添加新的方法和属性。

声明式事务的实现就是通过环绕增强的方式，在目标方法执行之前开启事务，在目标方法执行之后提交或者回滚事务，事务拦截器的继承关系图可以体现这一点：

Spring事务抽象

统一一致的事务抽象是Spring框架的一大优势，无论是全局事务还是本地事务，JTA、JDBC、Hibernate还是JPA，Spring都使用统一的编程模型，使得应用程序可以很容易地在全局事务与本地事务，或者不同的事务框架之间进行切换。下图是Spring事务抽象的核心类图：

接口 PlatformTransactionManager定义了事务操作的行为，其依赖 TransactionDefinition和 TransactionStatus接口，其实大部分的事务属性和行为我们以MySQL数据库为例已经有过了解，这里再对应介绍下。

PlatformTransactionManager：事务管理器
getTransaction方法：事务获取操作，根据事务属性定义，获取当前事务或者创建新事物；
commit方法：事务提交操作，注意这里所说的提交并非直接提交事务，而是根据当前事务状态执行提交或者回滚操作；
rollback方法：事务回滚操作，同样，也并非一定直接回滚事务，也有可能只是标记事务为只读，等待其他调用方执行回滚。
TransactionDefinition：事务属性定义
getPropagationBehavior方法：返回事务的传播属性，默认是 PROPAGATION_REQUIRED；
getIsolationLevel方法：返回事务隔离级别，事务隔离级别只有在创建新事务时才有效，也就是说只对应传播属性 PROPAGATION_REQUIRED和 PROPAGATION_REQUIRES_NEW；
getTimeout方法：返回事务超时时间，以秒为单位，同样只有在创建新事务时才有效；
isReadOnly方法：是否优化为只读事务，支持这项属性的事务管理器会将事务标记为只读，只读事务不允许有写操作，不支持只读属性的事务管理器需要忽略这项设置，这一点跟其他事务属性定义不同，针对其他不支持的属性设置，事务管理器应该抛出异常。
getName方法：返回事务名称，声明式事务中默认值为“类的完全限定名.方法名”。
TransactionStatus：当前事务状态
isNewTransaction方法：当前方法是否创建了新事务（区别于使用现有事务以及没有事务）；
hasSavepoint方法：在嵌套事务场景中，判断当前事务是否包含保存点；
setRollbackOnly和 isRollbackOnly方法：只读属性设置（主要用于标记事务，等待回滚）和查询；
flush方法：刷新底层会话中的修改到数据库，一般用于刷新如Hibernate/JPA的会话，是否生效由具体事务资源实现决定；
isCompleted方法：判断当前事务是否已完成（已提交或者已回滚）。

部分Spring包含的对 PlatformTransactionManager的实现类如下图所示：

AbstractPlatformTransactionManager抽象类实现了Spring事务的标准流程，其子类 DataSourceTransactionManager是我们使用较多的JDBC单数据源事务管理器，而 JtaTransactionManager是JTA（Java Transaction API）规范的实现类，另外两个则分别是JavaEE容器WebLogic和WebSphere的JTA事务管理器的具体实现。

Spring事务切面

之前提到，Spring采用AOP来实现声明式事务，那么事务的AOP切面是如何织入的呢？这一点涉及到AOP动态代理对象的生成过程。

代理对象生成的核心类是 AbstractAutoProxyCreator，实现了 BeanPostProcessor接口，会在Bean初始化完成之后，通过 postProcessAfterInitialization方法生成代理对象，关于 BeanPostProcessor在Bean生命周期中的作用，可参考《一些常用的Spring扩展接口》（https://www.cnblogs.com/xrq730/p/5721366.html）。

看一下 AbstractAutoProxyCreator类的核心代码，主要关注三个方法：postProcessAfterInitialization、wrapIfNecessary和createProxy，为了突出核心流程，以注释代替了部分代码的具体实现，后续的源码分析也采用相同的处理。

// 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)) {
// 创建代理对象
return wrapIfNecessary(bean, beanName, cacheKey);
}
}
return bean;
}
protected Object wrapIfNecessary(Object bean, String beanName, Object cacheKey) {
// 参数检查，跳过已经执行过代理对象生成，或者已知的不需要生成代理对象的Bean
...
// Create proxy if we have advice.
// 查询当前Bean所有的AOP增强配置，最终是通过AOPUtils工具类实现
Object[] specificInterceptors = getAdvicesAndAdvisorsForBean(bean.getClass(), beanName, null);
if (specificInterceptors != DO_NOT_PROXY) {
this.advisedBeans.put(cacheKey, Boolean.TRUE);
// 执行AOP织入，创建代理对象
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);
}
// 实例化代理工厂类
ProxyFactory proxyFactory = new ProxyFactory();
proxyFactory.copyFrom(this);
// 当全局使用动态代理时，设置是否需要对目标Bean强制使用CGLIB动态代理
...
// 构建AOP增强顾问，包含框架公共增强和应用程序自定义增强
// 设置proxyFactory属性，如增强、目标类、是否允许变更等
...
// 创建代理对象
return proxyFactory.getProxy(getProxyClassLoader());
}

最后是通过调用 ProxyFactory#getProxy(java.lang.ClassLoader)方法来创建代理对象：

// ProxyFactory.class
public Object getProxy(ClassLoader classLoader) {
return createAopProxy().getProxy(classLoader);
}
// ProxyFactory父类ProxyCreatorSupport.class
protected final synchronized AopProxy createAopProxy() {
if (!this.active) {
activate();
}
return getAopProxyFactory().createAopProxy(this);
}
public ProxyCreatorSupport() {
this.aopProxyFactory = new DefaultAopProxyFactory();
}

ProxyFactory的父类构造器实例化了 DefaultAopProxyFactory类，从其源代码我们可以看到Spring动态代理方式选择策略的实现：如果目标类optimize，proxyTargetClass属性设置为 true或者未指定需要代理的接口，则使用CGLIB生成代理对象，否则使用JDK动态代理。

public class DefaultAopProxyFactory implements AopProxyFactory, Serializable {
@Override
public AopProxy createAopProxy(AdvisedSupport config) throws AopConfigException {
// 如果optimize，proxyTargetClass属性设置为true或者未指定代理接口，则使用CGLIB生成代理对象
if (config.isOptimize() || config.isProxyTargetClass() || hasNoUserSuppliedProxyInterfaces(config)) {
Class<?> targetClass = config.getTargetClass();
// 参数检查，targetClass为空抛出异常
...
// 目标类本身是接口或者代理对象，仍然使用JDK动态代理
if (targetClass.isInterface() || Proxy.isProxyClass(targetClass)) {
return new JdkDynamicAopProxy(config);
}
// Objenesis是一个可以不通过构造器创建子类的java工具类库
// 作为Spring 4.0后CGLIB的默认实现
return new ObjenesisCglibAopProxy(config);
}
else {
// 否则使用JDK动态代理
return new JdkDynamicAopProxy(config);
}
}
...
}

Spring事务拦截

我们已经了解了AOP切面织入生成代理对象的过程，当Bean方法通过代理对象调用时，会触发对应的AOP增强拦截器，前面提到声明式事务是一种环绕增强，对应接口为 MethodInterceptor，事务增强对该接口的实现为 TransactionInterceptor，类图如下：

事务拦截器 TransactionInterceptor在 invoke方法中，通过调用父类 TransactionAspectSupport的 invokeWithinTransaction方法进行事务处理，该方法支持声明式事务和编程式事务。

// TransactionInterceptor.class
@Override
public Object invoke(final MethodInvocation invocation) throws Throwable {
// 获取targetClass
...
// Adapt to TransactionAspectSupport's invokeWithinTransaction...
return invokeWithinTransaction(invocation.getMethod(), targetClass, new InvocationCallback() {
@Override
public Object proceedWithInvocation() throws Throwable {
// 实际执行目标方法
return invocation.proceed();
}
});
}
// TransactionInterceptor父类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.
// 查询目标方法事务属性、确定事务管理器、构造连接点标识（用于确认事务名称）
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)) {
// 事务获取
TransactionInfo txInfo = createTransactionIfNecessary(tm, txAttr, joinpointIdentification);
Object retVal = null;
try {
// 通过回调执行目标方法
retVal = invocation.proceedWithInvocation();
}
catch (Throwable ex) {
// 目标方法执行抛出异常，根据异常类型执行事务提交或者回滚操作
completeTransactionAfterThrowing(txInfo, ex);
throw ex;
}
finally {
// 清理当前线程事务信息
cleanupTransactionInfo(txInfo);
}
// 目标方法执行成功，提交事务
commitTransactionAfterReturning(txInfo);
return retVal;
} else {
// 带回调的事务执行处理，一般用于编程式事务
...
}
}

在讲Spring事务抽象时，有提到事务抽象的核心接口为 PlatformTransactionManager，它负责管理事务行为，包括事务的获取、提交和回滚。在 invokeWithinTransaction方法中，我们可以看到 createTransactionIfNecessary、 commitTransactionAfterReturning和 completeTransactionAfterThrowing都是针对该接口编程，并不依赖于特定事务管理器，这里是对Spring事务抽象的实现。

//TransactionAspectSupport.class
protected TransactionInfo createTransactionIfNecessary(
PlatformTransactionManager tm, TransactionAttribute txAttr, final String joinpointIdentification) {
...
TransactionStatus status = null;
if (txAttr != null) {
if (tm != null) {
// 获取事务
status = tm.getTransaction(txAttr);
...
}
protected void commitTransactionAfterReturning(TransactionInfo txInfo) {
if (txInfo != null && txInfo.hasTransaction()) {
...
// 提交事务
txInfo.getTransactionManager().commit(txInfo.getTransactionStatus());
}
}
protected void completeTransactionAfterThrowing(TransactionInfo txInfo, Throwable ex) {
if (txInfo != null && txInfo.hasTransaction()) {
...
if (txInfo.transactionAttribute.rollbackOn(ex)) {
try {
// 异常类型为回滚异常，执行事务回滚
txInfo.getTransactionManager().rollback(txInfo.getTransactionStatus());
}
...
} else {
try {
// 异常类型为非回滚异常，仍然执行事务提交
txInfo.getTransactionManager().commit(txInfo.getTransactionStatus());
}
...
}
protected final class TransactionInfo {
private final PlatformTransactionManager transactionManager;
...

另外，在获取事务时， AbstractPlatformTransactionManager#doBegin方法负责开启新事务，在 DataSourceTransactionManager有如下代码：

@Override
protected void doBegin(Object transaction, TransactionDefinition definition) {
// 获取数据库连接con
...
if (con.getAutoCommit()) {
txObject.setMustRestoreAutoCommit(true);
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Switching JDBC Connection [" + con + "] to manual commit");
}
con.setAutoCommit(false);
}
...
}

这里才真正开启了数据库事务。

Spring事务同步

提到事务传播机制时，我们经常提到一个条件“如果当前已有事务”，那么Spring是如何知道当前是否已经开启了事务呢？在 AbstractPlatformTransactionManager中是这样做的：

// AbstractPlatformTransactionManager.class
@Override
public final TransactionStatus getTransaction(TransactionDefinition definition) throws TransactionException {
Object transaction = doGetTransaction();
// 参数为null时构造默认值
...
if (isExistingTransaction(transaction)) {
// Existing transaction found -> check propagation behavior to find out how to behave.
return handleExistingTransaction(definition, transaction, debugEnabled);
}
...
// 获取当前事务对象
protected abstract Object doGetTransaction() throws TransactionException;
// 判断当前事务对象是否包含活跃事务
protected boolean isExistingTransaction(Object transaction) throws TransactionException {
return false;
}

注意 getTransaction方法是 final的，无法被子类覆盖，保证了获取事务流程的一致和稳定。抽象方法 doGetTransaction获取当前事务对象，方法 isExistingTransaction判断当前事务对象是否存在活跃事务，具体逻辑由特定事务管理器实现，看下我们使用最多的 DataSourceTransactionManager对应的实现：

// 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，获取当前事务对象时，使用了 TransactionSynchronizationManager#getResource方法，类图如下：

TransactionSynchronizationManager通过 ThreadLocal对象在当前线程记录了 resources和 synchronizations属性。 resources是一个HashMap，用于记录当前参与事务的事务资源，方便进行事务同步，在 DataSourceTransactionManager的例子中就是以 dataSource作为key，保存了数据库连接，这样在同一个线程中，不同的方法调用就可以通过 dataSource获取相同的数据库连接，从而保证所有操作在一个事务中进行。 synchronizations属性是一个 TransactionSynchronization对象的集合， AbstractPlatformTransactionManager类中定义了事务操作各个阶段的调用流程，以事务提交为例：

// AbstractPlatformTransactionManager.class
private void processCommit(DefaultTransactionStatus status) throws TransactionException {
try {
boolean beforeCompletionInvoked = false;
try {
prepareForCommit(status);
triggerBeforeCommit(status);
triggerBeforeCompletion(status);
....
else if (status.isNewTransaction()) {
// 记录日志
...
doCommit(status);
}
...
// 事务调用异常处理
...
try {
triggerAfterCommit(status);
}
finally {
triggerAfterCompletion(status, TransactionSynchronization.STATUS_COMMITTED);
}
}
}

我们可以看到，有很多trigger前缀的方法，这些方法用于在事务操作的各个阶段触发回调，从而可以精确控制在事务执行的不同阶段所要执行的操作，这些回调实际上都通过 TransactionSynchronizationUtils来实现，它会遍历 TransactionSynchronizationManager#synchronizations集合中的 TransactionSynchronization对象，然后分别触发集合中各元素对应方法的调用。例如：

TransactionSynchronizationManager.registerSynchronization(new TransactionSynchronizationAdapter() {
@Override
public void afterCommit() {
// do something after commit
}
});

这段代码就在当前线程的事务 synchronizations属性中，添加了一个自定义同步类，如果当前存在事务，那么在事务管理器执行事务提交之后，就会触发 afterCommit方法，可以通过这种方式在事务执行的不同阶段自定义一些操作。

到这里，我们已经对Spring事务的实现原理和处理流程有了一定的了解。

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