[系統設計筆記] 分散式交易一致性：SAGA Pattern

前言

在微服務架構下，跨服務的交易操作是常見難題。

假設有這樣一個流程：

Order Service 建立訂單
Payment Service 扣款
Inventory Service 扣庫存

看似簡單，但當第三步失敗時，你要怎麼 rollback 前面兩個服務的操作？

在單體式架構中，我們可以靠 資料庫交易（ACID） 保證一致性。但微服務架構下，各自擁有獨立資料庫，跨服務的分散式交易中，「全域交易」幾乎不可行。這時候就需要 SAGA Pattern。

SAGA Pattern 是什麼？

SAGA Pattern 是一種用來維持「最終一致性（Eventual Consistency）」的設計模式。它將一個長交易（Long-running Transaction）拆解成一系列 可補償（Compensable） 的本地交易。

NOTE

每個服務完成自己的本地交易後，若整個流程中途失敗，系統會執行「補償動作（Compensation Transaction）」去抵銷已完成的操作。

基本概念

假設一筆「建立訂單」流程如下：

建立訂單（Order Service）
扣款（Payment Service）
扣庫存（Inventory Service）

如果庫存不足（步驟 3 失敗），則要：

退回款項（Payment Service）
取消訂單（Order Service）

用 Mermaid 示意圖表示：

兩種主要模式

模式	機制	優點	缺點	適用場景
Choreography	每個服務透過事件觸發下一步	去中心化、簡單易擴充	事件流程難追蹤、錯誤補償複雜	流程簡單、服務間低耦合
Orchestration	有一個編排器（Orchestrator）負責指揮流程	控制集中、補償邏輯清晰	Orchestrator 複雜、耦合高	流程多步驟、需要明確控制

Choreography 模式

在 Choreography 中，沒有中央控制器。每個服務透過事件彼此協作。

例如：

Order Service 發出事件：OrderCreated
Payment Service 收到事件 → 扣款成功後發出 PaymentCompleted
Inventory Service 收到事件 → 扣庫存失敗 → 發出 InventoryFailed
其他服務（例如 Order Service）根據事件決定補償動作

這種方式的優點是各服務低耦合、自然地隨事件擴展。但缺點是流程難以觀察與追蹤（需強化事件追蹤與觀測性）。

Orchestration 模式

在 Orchestration 模式中，會有一個中央協調器（Saga Orchestrator）。它負責控制交易流程，並在發生錯誤時呼叫補償邏輯。

這樣的設計讓補償邏輯集中，易於測試與觀察。可以參考使用：Temporal 框架實作

實務設計考量

1. 補償交易（Compensation）

每個子交易都必須能「反向操作」
例如：
- 建立訂單 → 取消訂單
- 扣款 → 退費
- 扣庫存 → 回補

2. 冪等性（Idempotency）

補償動作可能被重試多次
每個服務的 API 都應保證重複呼叫不會導致資料異常

3. 狀態追蹤（Saga Log）

Orchestrator 通常會維護每步執行狀態與補償記錄
常見實作：Outbox Pattern、事件儲存（Event Store）

4. 可觀測性（Observability）

分散式追蹤（例如 OpenTelemetry）
統一的 log correlation（可透過 MDC / TraceId）

5. 失敗重試與一致性

設計時需明確定義「何時重試」與「何時補償」
Saga 最終達成一致性，而非即時一致性

Java / Spring Boot 實作思路（示意）

public interface SagaStep {
    void execute();
    void compensate();
}

@Service
public class OrderSaga implements SagaStep {
    @Override
    public void execute() {
        // 建立訂單
    }
    @Override
    public void compensate() {
        // 取消訂單
    }
}

再由 Orchestrator 控制流程：

@Service
public class SagaOrchestrator {

    @Autowired List<SagaStep> steps;

    public void runSaga() {
        List<SagaStep> completed = new ArrayList<>();
        try {
            for (SagaStep step : steps) {
                step.execute();
                completed.add(step);
            }
        } catch (Exception ex) {
            // 補償已完成的步驟
            Collections.reverse(completed);
            completed.forEach(SagaStep::compensate);
        }
    }
}