Шаблон Saga: Посібник з координації розподілених транзакцій

У сфері сучасної архітектури програмного забезпечення, особливо з розквітом мікросервісів, керування узгодженістю даних між багатьма службами стало значною проблемою. Традиційні ACID-транзакції (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), які добре працюють у межах однієї бази даних, часто виявляються неефективними в розподілених середовищах. Шаблон Saga з'являється як потужне рішення для оркестрації транзакцій між багатьма службами, забезпечуючи узгодженість даних та стійкість.

Що таке шаблон Saga?

Шаблон Saga — це шаблон проєктування, який допомагає керувати розподіленими транзакціями в мікросервісній архітектурі. Замість того, щоб покладатися на одну велику ACID-транзакцію, Saga розбиває бізнес-транзакцію на послідовність менших, локальних транзакцій. Кожна локальна транзакція оновлює дані в одній службі, а потім запускає наступну транзакцію в послідовності. Якщо одна з локальних транзакцій завершується невдало, Saga виконує серію компенсуючих транзакцій, щоб скасувати наслідки попередніх транзакцій, забезпечуючи узгодженість даних у всій системі.

Уявіть це як серію доміно. Кожне доміно представляє локальну транзакцію в межах певного мікросервісу. Коли одне доміно падає (транзакція завершується), воно запускає наступне. Якщо доміно не падає (транзакція завершується невдало), вам потрібно обережно підняти вже впалі доміно (компенсуючі транзакції).

Навіщо використовувати шаблон Saga?

Ось чому шаблон Saga є важливим для мікросервісних архітектур:

• Розподілені транзакції: Він дозволяє керувати транзакціями, що охоплюють кілька служб, не покладаючись на розподілені двофазні протоколи фіксації (2PC), які можуть бути складними та створювати вузькі місця в продуктивності.
• Кінцева узгодженість: Він забезпечує кінцеву узгодженість між службами. Дані можуть бути не одразу узгодженими між усіма службами, але врешті-решт вони досягнуть узгодженого стану.
• Відмовостійкість: Завдяки впровадженню компенсуючих транзакцій, шаблон Saga підвищує відмовостійкість. Якщо служба виходить з ладу, система може плавно відновитися, скасувавши зміни, внесені попередніми транзакціями.
• Розділення: Він сприяє вільному зв'язку між службами. Кожна служба відповідає за свою власну локальну транзакцію, зменшуючи залежності між службами.
• Масштабованість: Він підтримує масштабованість, дозволяючи кожній службі масштабуватися незалежно.

Типи шаблонів Saga

Існують два основні способи реалізації шаблону Saga:

1. Saga на основі хореографії

У Saga на основі хореографії кожна служба слухає події, опубліковані іншими службами, і вирішує, чи вживати заходів на основі цих подій. Немає центрального оркестратора, який керує Saga. Замість цього, кожна служба бере участь у Saga, реагуючи на події та публікуючи нові події.

Як це працює:

1. Служба-ініціатор починає Saga, виконуючи свою локальну транзакцію та публікуючи подію.
2. Інші служби підписуються на цю подію і, після її отримання, виконують свої локальні транзакції та публікують нові події.
3. Якщо будь-яка транзакція завершується невдало, відповідна служба публікує компенсуючу подію.
4. Інші служби слухають компенсуючі події та виконують свої компенсуючі транзакції, щоб скасувати свої попередні дії.

Приклад:

Розглянемо процес виконання замовлення в електронній комерції, що включає три служби: Служба замовлень, Служба платежів та Служба інвентаризації.

1. Служба замовлень: Отримує нове замовлення та публікує подію `OrderCreated`.
2. Служба платежів: Підписується на `OrderCreated`, обробляє платіж та публікує подію `PaymentProcessed`.
3. Служба інвентаризації: Підписується на `PaymentProcessed`, резервує інвентар та публікує подію `InventoryReserved`.
4. Якщо Служба інвентаризації не може зарезервувати інвентар, вона публікує подію `InventoryReservationFailed`.
5. Служба платежів: Підписується на `InventoryReservationFailed`, повертає платіж та публікує подію `PaymentRefunded`.
6. Служба замовлень: Підписується на `PaymentRefunded` та скасовує замовлення.

Переваги:

• Простота: Легко реалізувати для простих Saga з невеликою кількістю учасників.
• Вільний зв'язок: Служби слабо пов'язані та можуть розвиватися незалежно.

Недоліки:

• Складність: Стає важко керувати складними Saga з багатьма учасниками.
• Відстеження: Важко відстежувати прогрес Saga та налагоджувати проблеми.
• Циклічні залежності: Може призвести до циклічних залежностей між службами.

2. Saga на основі оркестрації

У Saga на основі оркестрації центральна служба-оркестратор керує виконанням Saga. Служба-оркестратор вказує кожній службі, коли виконувати її локальну транзакцію та коли виконувати компенсуючі транзакції, якщо це необхідно.

Як це працює:

1. Служба-оркестратор отримує запит на запуск Saga.
2. Вона надсилає команди кожній службі для виконання її локальної транзакції.
3. Оркестратор відстежує результат кожної транзакції.
4. Якщо всі транзакції успішні, Saga завершується.
5. Якщо будь-яка транзакція завершується невдало, оркестратор надсилає компенсуючі команди відповідним службам, щоб скасувати наслідки попередніх транзакцій.

Приклад:

Використовуючи той самий процес виконання замовлення в електронній комерції, служба-оркестратор (Оркестратор Saga) координувала б кроки:

1. Оркестратор Saga: Отримує запит на нове замовлення.
2. Оркестратор Saga: Надсилає команду `ProcessOrder` до Служби замовлень.
3. Служба замовлень: Обробляє замовлення та повідомляє Оркестратора Saga про успіх або невдачу.
4. Оркестратор Saga: Надсилає команду `ProcessPayment` до Служби платежів.
5. Служба платежів: Обробляє платіж та повідомляє Оркестратора Saga про успіх або невдачу.
6. Оркестратор Saga: Надсилає команду `ReserveInventory` до Служби інвентаризації.
7. Служба інвентаризації: Резервує інвентар та повідомляє Оркестратора Saga про успіх або невдачу.
8. Якщо Служба інвентаризації завершується невдачею, вона повідомляє Оркестратора Saga.
9. Оркестратор Saga: Надсилає команду `RefundPayment` до Служби платежів.
10. Служба платежів: Повертає платіж та повідомляє Оркестратора Saga.
11. Оркестратор Saga: Надсилає команду `CancelOrder` до Служби замовлень.
12. Служба замовлень: Скасовує замовлення та повідомляє Оркестратора Saga.

Переваги:

• Централізоване управління: Легше керувати складними Saga з багатьма учасниками.
• Покращене відстеження: Легше відстежувати прогрес Saga та налагоджувати проблеми.
• Зменшення залежностей: Зменшує циклічні залежності між службами.

Недоліки:

• Збільшення складності: Потребує центральної служби-оркестратора, що додає складності архітектурі.
• Єдина точка відмови: Служба-оркестратор може стати єдиною точкою відмови.

Вибір між хореографією та оркестрацією

Вибір між хореографією та оркестрацією залежить від складності Saga та кількості служб-учасників. Ось загальні рекомендації:

• Хореографія: Підходить для простих Saga з невеликою кількістю учасників, де служби відносно незалежні. Добре підходить для сценаріїв, таких як базове створення облікового запису або прості транзакції електронної комерції.
• Оркестрація: Підходить для складних Saga з великою кількістю учасників або коли потрібен централізований контроль та видимість над виконанням Saga. Ідеально підходить для складних фінансових транзакцій, управління ланцюгом поставок або будь-якого процесу зі складними залежностями та вимогами до відкату.

Реалізація шаблону Saga

Реалізація шаблону Saga вимагає ретельного планування та врахування кількох факторів.

1. Визначте кроки Saga

Визначте окремі локальні транзакції, що складають Saga. Для кожної транзакції визначте наступне:

• Служба: Служба, відповідальна за виконання транзакції.
• Дія: Дія, що виконується транзакцією.
• Дані: Дані, необхідні для виконання транзакції.
• Компенсуюча дія: Дія, що виконується для скасування наслідків транзакції.

2. Оберіть підхід до реалізації

Вирішіть, чи використовувати хореографію, чи оркестрацію. Розгляньте складність Saga та компроміси між централізованим контролем та розподіленою відповідальністю.

3. Реалізуйте компенсуючі транзакції

Реалізуйте компенсуючі транзакції для кожної локальної транзакції. Компенсуючі транзакції повинні скасовувати наслідки оригінальної транзакції та повертати систему до узгодженого стану.

Важливі міркування щодо компенсуючих транзакцій:

• Ідемпотентність: Компенсуючі транзакції повинні бути ідемпотентними, тобто вони можуть виконуватися кілька разів без unintended побічних ефектів. Це дуже важливо, оскільки компенсуюча транзакція може бути повторена, якщо вона спочатку завершиться невдачею.
• Атомарність: В ідеалі компенсуюча транзакція повинна бути атомарною. Однак досягнення справжньої атомарності в розподіленому середовищі може бути складним завданням. Прагніть до найкращого можливого наближення атомарності.
• Надійність: Переконайтеся, що компенсуючі транзакції є надійними, тобто їхні наслідки зберігаються, навіть якщо служба виходить з ладу.

4. Обробка збоїв та повторних спроб

Реалізуйте надійні механізми обробки помилок та повторних спроб для граціозної обробки збоїв. Розгляньте використання таких методів, як:

• Експоненційна затримка: Повторюйте невдалі транзакції зі збільшенням затримок, щоб уникнути перевантаження системи.
• Автоматичний вимикач (Circuit Breaker): Запобігайте багаторазовим викликам служби, що виходить з ладу, щоб уникнути каскадних збоїв.
• Черга "мертвих" повідомлень (Dead Letter Queue): Надсилайте невдалі повідомлення до черги "мертвих" повідомлень для подальшого аналізу та повторної обробки.

5. Забезпечте ідемпотентність

Переконайтеся, що всі локальні та компенсуючі транзакції є ідемпотентними. Це дуже важливо для обробки повторних спроб та забезпечення узгодженості даних.

6. Моніторинг та відстеження Saga

Впровадьте моніторинг та відстеження для контролю прогресу Saga та виявлення потенційних проблем. Використовуйте інструменти розподіленого трасування для кореляції подій між кількома службами.

Технології реалізації шаблону Saga

Кілька технологій можуть допомогти в реалізації шаблону Saga:

• Черги повідомлень (RabbitMQ, Kafka): Сприяють асинхронній комунікації між службами, уможливлюючи подієво-орієнтовані Saga.
• Event Sourcing (Джерело подій): Зберігає стан програми як послідовність подій, надаючи повний аудиторський слід та дозволяючи повторне відтворення подій для цілей відновлення.
• Фреймворки оркестрації Saga: Фреймворки, такі як Apache Camel, Netflix Conductor та Temporal, надають інструменти та абстракції для створення та управління Saga.
• Менеджери транзакцій баз даних (для локальних транзакцій): Реляційні бази даних (наприклад, PostgreSQL, MySQL) та NoSQL бази даних пропонують менеджери транзакцій для забезпечення властивостей ACID у межах однієї служби.

Виклики використання шаблону Saga

Хоча шаблон Saga пропонує значні переваги, він також представляє певні виклики:

• Складність: Реалізація шаблону Saga може бути складною, особливо для складних бізнес-процесів.
• Кінцева узгодженість: Робота з кінцевою узгодженістю вимагає ретельного розгляду потенційних станів гонки та неузгодженості даних.
• Тестування: Тестування Saga може бути складним через їх розподілену природу та необхідність симуляції збоїв.
• Налагодження: Налагодження Saga може бути важким, особливо в реалізаціях на основі хореографії, де немає центрального оркестратора.
• Ідемпотентність: Забезпечення ідемпотентності транзакцій та компенсуючих транзакцій є вирішальним, але може бути складним у реалізації.

Найкращі практики для реалізації шаблону Saga

Щоб зменшити виклики та забезпечити успішну реалізацію шаблону Saga, розгляньте наступні найкращі практики:

• Почніть з малого: Почніть з простих Saga і поступово збільшуйте складність, набуваючи досвіду.
• Визначте чіткі межі: Чітко визначте межі кожної служби та переконайтеся, що кожна служба відповідає за власні дані.
• Використовуйте доменні події: Використовуйте доменні події для зв'язку між службами та запуску кроків Saga.
• Ретельно впроваджуйте компенсуючі транзакції: Переконайтеся, що компенсуючі транзакції є ідемпотентними, атомарними та надійними.
• Моніторинг та відстеження Saga: Впровадьте комплексний моніторинг та відстеження для контролю прогресу Saga та виявлення потенційних проблем.
• Проєктуйте з урахуванням збоїв: Спроектуйте свою систему так, щоб вона граціозно обробляла збої та забезпечувала відновлення системи після збоїв без втрати даних.
• Документуйте все: Ретельно документуйте дизайн, реалізацію та процедури тестування Saga.

Приклади шаблону Saga у реальному світі

Шаблон Saga використовується в різних галузях для керування розподіленими транзакціями в складних бізнес-процесах. Ось кілька прикладів:

• Електронна комерція: Виконання замовлень, обробка платежів, управління запасами та доставка. Наприклад, коли клієнт розміщує замовлення, Saga керує процесом резервування запасів, обробки платежу та створення відправлення. Якщо будь-який крок завершується невдачею (наприклад, недостатня кількість запасів), Saga компенсує це, звільняючи зарезервований інвентар та повертаючи платіж. Alibaba, світовий гігант електронної комерції, широко використовує шаблони Saga на своєму величезному ринку для забезпечення узгодженості транзакцій між численними мікросервісами.
• Фінансові послуги: Перекази коштів, заявки на кредити та транзакції за кредитними картками. Розглянемо міжнародний грошовий переказ: Saga могла б координувати дебетування з одного рахунку, конвертацію валюти та кредитування на інший рахунок. Якщо конвертація валюти завершується невдачею, компенсуючі транзакції скасовують дебетування та запобігають неузгодженостям. TransferWise (тепер Wise), фінтех-компанія, що спеціалізується на міжнародних грошових переказах, покладається на шаблони Saga, щоб гарантувати надійність та узгодженість своїх транзакцій у різних банківських системах по всьому світу.
• Охорона здоров'я: Реєстрація пацієнтів, планування прийомів та оновлення медичних записів. Коли пацієнт реєструється на прийом, Saga могла б керувати процесом створення нового медичного запису, планування прийому та повідомлення відповідних медичних працівників. Якщо планування прийому завершується невдачею, компенсуючі транзакції скасовують прийом та повідомляють пацієнта.
• Управління ланцюгом поставок: Обробка замовлень, управління складом та планування доставки. При отриманні замовлення Saga може керувати резервуванням запасів, пакуванням товарів, плануванням доставки та сповіщенням клієнта. Якщо один з цих кроків завершується невдачею, компенсуюча дія може бути використана для скасування замовлення, повернення товарів на склад та інформування клієнта про скасування.

Висновок

Шаблон Saga є цінним інструментом для керування розподіленими транзакціями в мікросервісних архітектурах. Розбиваючи бізнес-транзакції на послідовність локальних транзакцій та впроваджуючи компенсуючі транзакції, ви можете забезпечити узгодженість даних та стійкість у розподіленому середовищі. Хоча шаблон Saga представляє певні виклики, дотримання найкращих практик та використання відповідних технологій може допомогти вам успішно його реалізувати та створювати надійні, масштабовані та відмовостійкі програми.

Оскільки мікросервіси стають все більш поширеними, шаблон Saga продовжуватиме відігравати вирішальну роль у керуванні розподіленими транзакціями та забезпеченні узгодженості даних у складних системах. Впровадження шаблону Saga є ключовим кроком до створення сучасних, стійких та масштабованих програм, які можуть відповідати вимогам сучасного бізнес-середовища.