面试题：设计一套基于Redis分布式锁和MySQL的分布式事务解决方案，并分析其在不同故障场景下的可靠性。

Question

请设计一套完整的基于Redis分布式锁和MySQL的分布式事务解决方案，涵盖从业务发起事务请求，到利用Redis锁控制资源访问，再到MySQL执行事务操作的全过程。同时，分析该方案在诸如Redis节点故障、MySQL主从切换、网络分区等不同故障场景下，如何保证事务的原子性、一致性、隔离性和持久性，以及整体方案的可靠性。

Answer 1

1. 方案设计

业务发起事务请求

1. 应用层：业务系统接收到事务请求后，生成一个全局唯一的事务ID（例如使用UUID）。此ID将贯穿整个事务流程，用于标识和追踪事务。

利用Redis锁控制资源访问

1. 获取锁：
   • 应用程序使用SETNX（SET if Not eXists）命令尝试在Redis中获取分布式锁。例如，以事务ID作为锁的键，以当前时间戳加上锁的过期时间作为值。
   • 示例代码（以Python和redis - py库为例）：

import redis
import uuid

r = redis.Redis(host='localhost', port = 6379, db = 0)
transaction_id = str(uuid.uuid4())
lock_key = f'transaction_lock:{transaction_id}'
lock_value = str(int(time.time()) + 10)  # 假设锁过期时间为10秒
acquired = r.set(lock_key, lock_value, nx = True, ex = 10)
if not acquired:
    # 锁获取失败，处理失败逻辑，如重试或返回错误
    pass

2. 释放锁：
   • 事务执行完毕（无论成功或失败），应用程序使用Lua脚本来确保原子性地释放锁。Lua脚本会先检查锁的持有者是否为当前事务，只有是当前持有者才会删除锁。
   • 示例Lua脚本：

if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("DEL", KEYS[1])
else
    return 0
end

• 示例Python代码调用Lua脚本释放锁：

unlock_script = """
if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("DEL", KEYS[1])
else
    return 0
end
"""
unlock_result = r.eval(unlock_script, 1, lock_key, lock_value)

MySQL执行事务操作

1. 连接MySQL：应用程序获取MySQL数据库连接。
2. 开启事务：执行START TRANSACTION语句。
3. 执行SQL操作：按照业务需求执行一系列SQL语句，如插入、更新或删除操作。
4. 提交或回滚事务：
   • 如果所有SQL操作都成功，执行COMMIT语句提交事务。
   • 如果任何一个SQL操作失败，执行ROLLBACK语句回滚事务。

2. 故障场景分析及事务特性保证

Redis节点故障

1. 原子性：
   • 由于获取锁时设置了过期时间，即使Redis节点故障导致锁未及时释放，过期后其他事务仍可获取锁。在事务执行过程中，如果Redis节点故障，MySQL事务还未提交，应用程序可以检测到Redis锁操作异常，从而回滚MySQL事务，保证原子性。
2. 一致性：
   • 故障发生时，可能存在短暂的不一致。但当Redis恢复后，通过重新获取锁机制，后续事务会按顺序执行，最终数据会达到一致状态。应用程序可以在Redis恢复后进行数据校验和修复操作。
3. 隔离性：
   • 在Redis故障期间，虽然可能有多个事务同时尝试获取锁（由于锁未及时释放），但MySQL自身的事务隔离级别会保证事务之间的隔离性。例如，使用REPEATABLE READ隔离级别，可防止幻读等问题。
4. 持久性：
   • Redis故障不直接影响MySQL的持久性。只要MySQL事务成功提交，数据就会持久化存储。

MySQL主从切换

1. 原子性：
   • 主从切换过程中，如果事务正在执行，应用程序可以检测到数据库连接异常。在重新连接到新的主库后，根据事务ID查询事务状态，如果事务未完成，进行回滚操作，保证原子性。
2. 一致性：
   • 主从切换可能导致短暂的数据复制延迟。应用程序可以在事务提交后等待一段时间，确保从库数据同步完成，或者在读取数据时采用“读主库”策略，以保证数据一致性。
3. 隔离性：
   • MySQL的事务隔离级别在主从切换过程中依然有效，保证事务之间的隔离。
4. 持久性：
   • 只要事务在主库成功提交，MySQL的持久性机制会保证数据不会丢失。即使主从切换，新的主库也会继续维护数据的持久性。

网络分区

1. 原子性：
   • 网络分区可能导致部分节点无法获取锁或无法与MySQL通信。应用程序可以设置合理的重试机制，在网络恢复后重新尝试获取锁和执行事务。如果多次重试失败，回滚事务，保证原子性。
2. 一致性：
   • 网络分区期间，不同分区内可能会有不一致的操作。但网络恢复后，通过重新协调锁和事务状态，最终数据会达到一致。例如，应用程序可以在网络恢复后进行数据合并和校验操作。
3. 隔离性：
   • 在不同网络分区内，事务的隔离性由MySQL自身保证。网络恢复后，通过锁机制重新协调事务执行顺序，维持隔离性。
4. 持久性：
   • 只要事务在MySQL成功提交，数据的持久性不受网络分区影响。

3. 整体方案可靠性

1. 重试机制：在获取锁失败、数据库操作失败或网络异常时，应用程序采用重试机制，提高事务成功执行的概率。
2. 监控与报警：部署监控系统，实时监测Redis和MySQL的运行状态，以及事务执行情况。当出现异常（如Redis节点故障、MySQL主从切换等）时，及时报警通知运维人员进行处理。
3. 数据校验与修复：定期或在故障恢复后，对数据进行校验，发现不一致数据及时进行修复。例如，通过对比Redis锁记录和MySQL事务日志，确保数据状态的一致性。