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如何用C#实现SAGA分布式事务

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当我们进行分布式系统开发的时候，需要保证不同分布式系统节点之间的数据的一致性，同时对于不同节点的事务处理也需要保证原子性、一致性、持久性和隔离性。SAGA是IBM公司出品的分布式事务解决方案，主要通过补偿机制来保证事务的一致性，因此最近比较火热。下面我们就来详细讲解如何使用C#实现SAGA分布式事务。

一、什么是SAGA分布式事务？

SAGA是分布式事务的一种解决方案，通过基于局部事务的补偿机制来保证分布式事务的一致性。SAGA模式中，将复杂的分布式事务分为一系列局部事务，这些局部事务通过相互协调来实现分布式事务的最终一致性。

二、SAGA分布式事务的实现流程

SAGA分布式事务的实现流程主要包括以下几个步骤：

  1. 业务流程发起方发起分布式事务；
  2. 业务流程发起方调用Saga Orchestrator，下发事务指令；
  3. 相应的业务服务通过实现CompensatableAction接口，实现事务执行中的“原操作”和“补偿操作”；
  4. 一旦事务中的一个步骤发生异常，Saga Orchestrator会自动回滚并执行相应的补偿操作；
  5. 如果整个事务成功执行地话，Saga Orchestrator会执行最后的完成操作。

三、SAGA分布式事务实现过程示例

接下来，我们将基于C#，使用.NET Core框架，来演示如何使用SAGA分布式事务。

在这个演示中，我们将使用EF Core示例，并且将基于NATS同时还演示了一个异步的方式实现SAGA分布式事务。

示例：

using Microsoft.EntityFrameworkCore;
using NATS.Client;
using System;
using System.Threading.Tasks;

// 定义IAccountService接口，具有创建账户和支付操作
public interface IAccountService
{
    public Task CreateAccountAsync(Account account);
    public Task DeductAsync(DeductRequest request);
}

// 定义一个NATS发送者
public interface IPublisher
{
    public Task PublishAsync(string subject, string msg);
}

// AccountService是一个具体的实现IAccountService接口的类，包括CreateAccountAsync和DeductAsync方法的具体实现
public class AccountService : IAccountService
{
    private readonly AccountDbContext _context;
    private readonly IPublisher _publisher;
    public AccountService(AccountDbContext context, IPublisher publisher)
    {
        _context = context;
        _publisher = publisher;
    }

    public async Task CreateAccountAsync(Account account)
    {
        // 创建账户
        await _context.Accounts.AddAsync(account);
        await _context.SaveChangesAsync();
    }

    public async Task DeductAsync(DeductRequest request)
    {
        // 扣款流程
        var account = await _context.Accounts.FirstOrDefaultAsync(a => a.Id == request.AccountId);
        if (account == null)
        {
            throw new InvalidOperationException("Account not found");
        }

        if (account.Balance < request.Amount)
        {
            throw new InvalidOperationException("Insufficient balance");
        }

        account.Balance = account.Balance - request.Amount;
        _context.Accounts.Update(account);
        await _context.SaveChangesAsync();

        // 向下一步流程的处理器发送消息
        await _publisher.PublishAsync("order.create", $"{{\"OrderId\": {request.OrderId}}}");
    }

}

// AccountDbContext 是使用EF Core定义的数据库上下文
public class AccountDbContext : DbContext
{
    public DbSet<Account> Accounts { get; set; }

    protected override void OnConfiguring(DbContextOptionsBuilder optionsBuilder)
    {
        optionsBuilder.UseSqlServer(@"Server=localhost;Database=Account;User ID=sa;Password=123456;");
    }
}


// NATSPublisher 是一个实现了IPublisher接口的NATS消息发送者类
public class NATSPublisher : IPublisher
{
    private readonly IConnection _nats;
    public NATSPublisher()
    {
        _nats = new ConnectionFactory().CreateConnection();
    }

    public async Task PublishAsync(string subject, string msg)
    {
        await Task.Run(() => _nats.Publish(subject, System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(msg)));
    }
}


// 定义具体的补偿操作类，并且继承CompensatableAction接口
class DeductCompensationAction : CompensatableAction
{
    private readonly IAccountService _accountService;
    private readonly DeductRequest _deductRequest;

    public DeductCompensationAction(IAccountService accountService, DeductRequest deductRequest)
    {
        _accountService = accountService;
        _deductRequest = deductRequest;
    }

    public async Task Compensate()
    {
        // 撤销扣款操作
        await _accountService.DeductAsync(new DeductRequest()
        {
            AccountId = _deductRequest.AccountId,
            Amount = -_deductRequest.Amount,
            OrderId = _deductRequest.OrderId
        });
    }

    public async Task Perform()
    {
        // 执行扣款操作
        await _accountService.DeductAsync(_deductRequest);
    }
}

// 定义DeductRequest类，用于记录并提交扣款请求
class DeductRequest
{
    public int AccountId { get; set; }
    public decimal Amount { get; set; }
    public int OrderId { get; set; }
}


// Account类对应于账户
public class Account
{
    public int Id { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    public decimal Balance { get; set; }
}

// 下面是使用SAGA模式的业务流程类
public class CreateAccountAndDeductProcess
{
    private readonly IAccountService _accountService;
    private readonly IPublisher _publisher;
    private readonly DeductRequest _deductRequest;

    public CreateAccountAndDeductProcess(IAccountService accountService, IPublisher publisher, DeductRequest deductRequest)
    {
        _accountService = accountService;
        _publisher = publisher;
        _deductRequest = deductRequest;
    }

    // 使用SagaStep特性来进行流程定义
    [SagaStep]
    public async Task CreateAccount()
    {
        await _accountService.CreateAccountAsync(new Account()
        {
            Name = $"Account_{Guid.NewGuid()}",
            Balance = _deductRequest.Amount
        });

        // 发布第二步流程的消息
        await _publisher.PublishAsync("deduct.account", $"{{\"AccountId\": {1},\"OrderId\" : {_deductRequest.OrderId}, \"Amount\" : {_deductRequest.Amount}}}");
    }

    [SagaStep(IsCompensable = true)]
    public async Task DeductAccount()
    {
        // 发布扣款消息
        await _accountService.DeductAsync(_deductRequest);
    }

    // 定义回滚操作
    [CompensationAction]
    public async Task RollbackDeductAccount()
    {
        var compensationAction = new DeductCompensationAction(_accountService, _deductRequest);
        await compensationAction.Compensate();
    }
}

// SagaOrchestrator类提供了流程的发起和处理能力
public class SagaOrchestrator
{
    private readonly ISubscription _subscription;
    private readonly IAccountService _accountService;

    public SagaOrchestrator(ISubscription subscription, IAccountService accountService)
    {
        _subscription = subscription;
        _accountService = accountService;
    }

    public async Task Run()
    {
        Console.WriteLine("Saga Orchestrator started");

        while (true)
        {
            Message msg = _subscription.NextMessage();
            var subject = msg.Subject;
            var data = System.Text.Encoding.UTF8.GetString(msg.Data);

            Console.WriteLine($"{subject}: {data}");

            switch (subject)
            {
                // 开始订单流程
                case "order.create":
                    await CreateAccountAndDeductProcessRunner(data);
                    break;
                // 建立账户并扣款
                case "deduct.account":
                    await DeductAccountProcessRunner(data);
                    break;
                default:
                    break;
            }

            await Task.Delay(50);
        }
    }

    private async Task CreateAccountAndDeductProcessRunner(string data)
    {
        Console.WriteLine("Create Account And Deduct Process started");

        var deductRequest = Newtonsoft.Json.JsonConvert.DeserializeObject<DeductRequest>(data);

        var process = new CreateAccountAndDeductProcess(_accountService, new NATSPublisher(), deductRequest);
        var sagaBuilder = new SagaBuilder<CreateAccountAndDeductProcess>(process);

        await sagaBuilder
            .Invoke(x => x.CreateAccount)
            .Invoke(x => x.DeductAccount, x => x.RollbackDeductAccount)
            .Build()
            .RunAsync();
    }

    private async Task DeductAccountProcessRunner(string data)
    {
        Console.WriteLine("Deduct Account Process started");

        var deductRequest = Newtonsoft.Json.JsonConvert.DeserializeObject<DeductRequest>(data);

        var process = new CreateAccountAndDeductProcess(_accountService, new NATSPublisher(), deductRequest);
        var sagaBuilder = new SagaBuilder<CreateAccountAndDeductProcess>(process);

        await sagaBuilder
            .Invoke(x => x.CreateAccount)
            .Invoke(x => x.DeductAccount, x => x.RollbackDeductAccount)
            .Build()
            .RunAsync();
    }
}

// 最后，我们来演示如何运行上述代码

static async Task Main(string[] args)
{
    var factory = new ConnectionFactory();
    // 建立一个连接
    IConnection nats = await Task.Run(() => factory.CreateConnection());
    // 订阅主题
    ISubscription subscription = await Task.Run(() =>
        nats.SubscribeAsync(">", (sender, args) =>
        {
            Console.WriteLine("*************************");
            Console.WriteLine(args.Message.Data);
        }));

    // 创建一个DbContext，并且初始化数据库
    using (var db = new AccountDbContext())
    {
        await db.Database.EnsureDeletedAsync();
        await db.Database.EnsureCreatedAsync();
    }

    // 初始化NATS消息发送
    var publisher = new NATSPublisher();

    // 初始化业务service
    var accountService = new AccountService(new AccountDbContext(), publisher);

    // 运行saga orchestrator
    var so = new SagaOrchestrator(subscription, accountService);
    await so.Run();
}

在上面的代码中，我们演示了一个基于.NET Core的EF Core的SAGA分布式事务的示例。在具体实现中，分别定义了账户服务、账户上下文，NATS发送者，扣款请求、账户及NATSPublisher实现，定义具体的补偿回滚操作类，定义创建账户和扣款的具体流程。最后，我们在Main方法中初始化DbContext和NATS消息发送器，运行saga orchestrator，即可进行分布式事务的运行。

建议在编写此类代码时，需要注意以下几点：

  1. 需要特别注意所有局部事务之间的依赖关系，避免出现数据依赖错误；
  2. 注意消息在事件传递过程中的状态，避免出现重复或者错误的消息；
  3. 要对分布式事务中各种错误进行充分的测试，以确保系统在各种情况下都能够正常运行。

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