Einführung in Transaktionen in Java und Spring

1. Einleitung

In diesem Tutorial werden wir verstehen, was unter Transaktionen in Java zu verstehen ist. Dadurch verstehen wir, wie lokale und globale Ressourcentransaktionen ausgeführt werden. Auf diese Weise können wir auch verschiedene Möglichkeiten zur Verwaltung von Transaktionen in Java und Spring untersuchen.

2. Was ist eine Transaktion?

Transaktionen in Java beziehen sich im Allgemeinen auf eine Reihe von Aktionen, die alle erfolgreich abgeschlossen werden müssen. Daher schlägt fehl , wenn ein oder mehrere Aktions, alle anderen Aktionen müssen unverändert den Zustand der Anwendung zu verlassen wieder heraus . Dies ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Integrität des Anwendungsstatus niemals beeinträchtigt wird.

Diese Transaktionen können auch eine oder mehrere Ressourcen wie Datenbank und Nachrichtenwarteschlange umfassen, wodurch sich verschiedene Möglichkeiten ergeben, Aktionen unter einer Transaktion auszuführen. Dazu gehört die Durchführung lokaler Ressourcentransaktionen mit einzelnen Ressourcen. Alternativ können mehrere Ressourcen an einer globalen Transaktion teilnehmen.

3. Lokale Ressourcentransaktionen

Wir werden zunächst untersuchen, wie wir Transaktionen in Java verwenden können, während wir mit einzelnen Ressourcen arbeiten. Hier haben wir möglicherweise mehrere einzelne Aktionen, die wir mit einer Ressource wie einer Datenbank ausführen . Aber wir möchten vielleicht, dass sie als einheitliches Ganzes geschehen, wie in einer unteilbaren Arbeitseinheit. Mit anderen Worten, wir möchten, dass diese Aktionen unter einer einzigen Transaktion ausgeführt werden.

In Java gibt es verschiedene Möglichkeiten, auf eine Ressource wie eine Datenbank zuzugreifen und diese zu bearbeiten. Daher ist auch die Art und Weise, wie wir mit Transaktionen umgehen, nicht dieselbe. In diesem Abschnitt erfahren Sie, wie wir Transaktionen mit einigen dieser Bibliotheken in Java verwenden können, die häufig verwendet werden.

3.1. JDBC

Java Database Connectivity (JDBC) ist die API in Java, die definiert, wie auf Datenbanken in Java zugegriffen wird . Verschiedene Datenbankanbieter bieten JDBC-Treiber für eine herstellerunabhängige Verbindung zur Datenbank an. Wir rufen also eine Verbindung von einem Treiber ab, um verschiedene Operationen an der Datenbank auszuführen:

JDBC bietet uns die Möglichkeit, Anweisungen unter einer Transaktion auszuführen. Das Standardverhalten einer Verbindung ist das automatische Festschreiben . Zur Verdeutlichung bedeutet dies, dass jede einzelne Anweisung als Transaktion behandelt wird und direkt nach der Ausführung automatisch festgeschrieben wird.

Wenn wir jedoch mehrere Anweisungen in einer einzigen Transaktion bündeln möchten, ist dies ebenfalls möglich:

Connection connection = DriverManager.getConnection(CONNECTION_URL, USER, PASSWORD); try { connection.setAutoCommit(false); PreparedStatement firstStatement = connection .prepareStatement("firstQuery"); firstStatement.executeUpdate(); PreparedStatement secondStatement = connection .prepareStatement("secondQuery"); secondStatement.executeUpdate(); connection.commit(); } catch (Exception e) { connection.rollback(); }

Hier haben wir den Auto-Commit-Modus der Verbindung deaktiviert . Daher können wir die Transaktionsgrenze manuell definieren und ein Commit oder Rollback durchführen . Mit JDBC können wir auch einen Speicherpunkt festlegen , mit dem wir mehr Kontrolle darüber haben, wie viel zurückgesetzt werden soll.

3.2. JPA

Java Persistence API (JPA) ist eine Spezifikation in Java, mit der die Lücke zwischen objektorientierten Domänenmodellen und relationalen Datenbanksystemen geschlossen werden kann . Daher sind verschiedene Implementierungen von JPA von Drittanbietern wie Hibernate, EclipseLink und iBatis verfügbar.

In JPA können wir reguläre Klassen als eine Entität definieren , die ihnen eine dauerhafte Identität verleiht. Die EntityManager- Klasse bietet die erforderliche Schnittstelle, um mit mehreren Entitäten in einem Persistenzkontext zu arbeiten . Der Persistenzkontext kann als Cache der ersten Ebene betrachtet werden, in dem Entitäten verwaltet werden:

Der Persistenzkontext kann hier von zwei Typen sein, transaktionsbezogen oder erweitert. Ein persistenzbezogener Persistenzkontext ist an eine einzelne Transaktion gebunden. Der Persistenzkontext mit erweitertem Gültigkeitsbereich kann sich über mehrere Transaktionen erstrecken. Der Standardbereich eines Persistenzkontexts ist der Transaktionsbereich .

Mal sehen, wie wir einen EntityManager erstellen und eine Transaktionsgrenze manuell definieren können:

EntityManagerFactory entityManagerFactory = Persistence.createEntityManagerFactory("jpa-example"); EntityManager entityManager = entityManagerFactory.createEntityManager(); try { entityManager.getTransaction().begin(); entityManager.persist(firstEntity); entityManager.persist(secondEntity); entityManager.getTransaction().commit(); } catch (Exceotion e) { entityManager.getTransaction().rollback(); }

Hier erstellen wir einen EntityManager aus EntityManagerFactory im Kontext eines transaktionsbezogenen Persistenzkontexts. Dann definieren wir die Transaktionsgrenze mit den Methoden begin , commit und rollback .

3.3. JMS

Java Messaging Service (JMS) ist eine Spezifikation in Java, mit der Anwendungen mithilfe von Nachrichten asynchron kommunizieren können . Mit der API können wir Nachrichten aus einer Warteschlange oder einem Thema erstellen, senden, empfangen und lesen. Es gibt verschiedene Messaging-Dienste, die den JMS-Spezifikationen entsprechen, einschließlich OpenMQ und ActiveMQ.

Die JMS-API unterstützt die Bündelung mehrerer Sende- oder Empfangsvorgänge in einer einzigen Transaktion. Aufgrund der Art der nachrichtenbasierten Integrationsarchitektur können Produktion und Verbrauch einer Nachricht jedoch nicht Teil derselben Transaktion sein . Der Umfang der Transaktion bleibt zwischen dem Kunden und dem JMS-Anbieter:

Mit JMS können wir eine Sitzung aus einer Verbindung erstellen , die wir von einer herstellerspezifischen ConnectionFactory erhalten . Wir haben die Möglichkeit, eine Sitzung zu erstellen , die abgewickelt wird oder nicht . Für Nicht-Transaktion Session s , können wir weiterhin eine angemessene anerkennen Modus als auch definieren.

Mal sehen , wie wir eine getätigten erstellen können Session mehrere Nachrichten unter einer Transaktion senden:

ActiveMQConnectionFactory connectionFactory = new ActiveMQConnectionFactory(CONNECTION_URL); Connection connection = = connectionFactory.createConnection(); connection.start(); try { Session session = connection.createSession(true, 0); Destination = destination = session.createTopic("TEST.FOO"); MessageProducer producer = session.createProducer(destination); producer.send(firstMessage); producer.send(secondMessage); session.commit(); } catch (Exception e) { session.rollback(); }

Hier erstellen wir einen MessageProducer für das Ziel des Thementyps. Wir erhalten das Ziel aus der Sitzung, die wir zuvor erstellt haben. Wir verwenden Session weiterhin , um Transaktionsgrenzen mithilfe der Methoden Commit und Rollback zu definieren .

4. Globale Transaktionen

Wie wir gesehen haben, ermöglichen lokale Ressourcentransaktionen die Ausführung mehrerer Vorgänge innerhalb einer einzelnen Ressource als einheitliches Ganzes. Oft beschäftigen wir uns jedoch mit Vorgängen, die sich über mehrere Ressourcen erstrecken . Zum Beispiel Betrieb in zwei verschiedenen Datenbanken oder einer Datenbank und einer Nachrichtenwarteschlange. Hier reicht die Unterstützung lokaler Transaktionen innerhalb von Ressourcen für uns nicht aus.

What we need in these scenarios is a global mechanism to demarcate transactions spanning multiple participating resources. This is often known as distributed transactions and there are specifications that have been proposed to deal with them effectively.

The XA Specification is one such specification which defines a transaction manager to control transaction across multiple resources. Java has quite mature support for distributed transactions conforming to the XA Specification through the components JTA and JTS.

4.1. JTA

Java Transaction API (JTA) is a Java Enterprise Edition API developed under the Java Community Process. It enables Java applications and application servers to perform distributed transactions across XA resources. JTA is modeled around XA architecture, leveraging two-phase commit.

JTA specifies standard Java interfaces between a transaction manager and the other parties in a distributed transaction:

Let's understand some of the key interfaces highlighted above:

  • TransactionManager: An interface which allows an application server to demarcate and control transactions
  • UserTransaction: This interface allows an application program to demarcate and control transactions explicitly
  • XAResource: The purpose of this interface is to allow a transaction manager to work with resource managers for XA-compliant resources

4.2. JTS

Java Transaction Service (JTS) is a specification for building the transaction manager that maps to the OMG OTS specification. JTS uses the standard CORBA ORB/TS interfaces and Internet Inter-ORB Protocol (IIOP) for transaction context propagation between JTS transaction managers.

At a high level, it supports the Java Transaction API (JTA). A JTS transaction manager provides transaction services to the parties involved in a distributed transaction:

Services that JTS provides to an application are largely transparent and hence we may not even notice them in the application architecture. JTS is architected around an application server which abstracts all transaction semantics from the application programs.

5. JTA Transaction Management

Now it's time to understand how we can manage a distributed transaction using JTA. Distributed transactions are not trivial solutions and hence have cost implications as well. Moreover, there are multiple options that we can choose from to include JTA in our application. Hence, our choice must be in the view of overall application architecture and aspirations.

5.1. JTA in Application Server

As we have seen earlier, JTA architecture relies on the application server to facilitate a number of transaction-related operations. One of the key services it relies on the server to provide is a naming service through JNDI. This is where XA resources like data sources are bound to and retrieved from.

Apart from this, we have a choice in terms of how we want to manage the transaction boundary in our application. This gives rise to two types of transactions within the Java application server:

  • Container-managed Transaction: As the name suggests, here the transaction boundary is set by the application server. This simplifies the development of Enterprise Java Beans (EJB) as it does not include statements related to transaction demarcation and relies solely on the container to do so. However, this does not provide enough flexibility for the application.
  • Bean-managed Transaction: Contrary to the container-managed transaction, in a bean-managed transaction EJBs contain the explicit statements to define the transaction demarcation. This provides precise control to the application in marking the boundaries of the transaction, albeit at the cost of more complexity.

One of the main drawbacks of performing transactions in the context of an application server is that the application becomes tightly coupled with the server. This has implications with respect to testability, manageability, and portability of the application. This is more profound in microservice architecture where the emphasis is more on developing server-neutral applications.

5.2. JTA Standalone

The problems we discussed in the last section have provided a huge momentum towards creating solutions for distributed transactions that does not rely on an application server. There are several options available to us in this regard, like using transaction support with Spring or use a transaction manager like Atomikos.

Let's see how we can use a transaction manager like Atomikos to facilitate a distributed transaction with a database and a message queue. One of the key aspects of a distributed transaction is enlisting and delisting the participating resources with the transaction monitor. Atomikos takes care of this for us. All we have to do is use Atomikos-provided abstractions:

AtomikosDataSourceBean atomikosDataSourceBean = new AtomikosDataSourceBean(); atomikosDataSourceBean.setXaDataSourceClassName("com.mysql.cj.jdbc.MysqlXADataSource"); DataSource dataSource = atomikosDataSourceBean;

Here, we are creating an instance of AtomikosDataSourceBean and registering the vendor-specific XADataSource. From here on, we can continue using this like any other DataSource and get the benefits of distributed transactions.

Similarly, we have an abstraction for message queue which takes care of registering the vendor-specific XA resource with the transaction monitor automatically:

AtomikosConnectionFactoryBean atomikosConnectionFactoryBean = new AtomikosConnectionFactoryBean(); atomikosConnectionFactoryBean.setXaConnectionFactory(new ActiveMQXAConnectionFactory()); ConnectionFactory connectionFactory = atomikosConnectionFactoryBean;

Here, we are creating an instance of AtomikosConnectionFactoryBean and registering the XAConnectionFactory from an XA-enabled JMS vendor. After this, we can continue to use this as a regular ConnectionFactory.

Now, Atomikos provides us the last piece of the puzzle to bring everything together, an instance of UserTransaction:

UserTransaction userTransaction = new UserTransactionImp();

Now, we are ready to create an application with distributed transaction spanning across our database and the message queue:

try { userTransaction.begin(); java.sql.Connection dbConnection = dataSource.getConnection(); PreparedStatement preparedStatement = dbConnection.prepareStatement(SQL_INSERT); preparedStatement.executeUpdate(); javax.jms.Connection mbConnection = connectionFactory.createConnection(); Session session = mbConnection.createSession(true, 0); Destination destination = session.createTopic("TEST.FOO"); MessageProducer producer = session.createProducer(destination); producer.send(MESSAGE); userTransaction.commit(); } catch (Exception e) { userTransaction.rollback(); }

Here, we are using the methods begin and commit in the class UserTransaction to demarcate the transaction boundary. This includes saving a record in the database as well as publishing a message to the message queue.

6. Transactions Support in Spring

We have seen that handling transactions are rather an involved task which includes a lot of boilerplate coding and configurations. Moreover, each resource has its own way of handling local transactions. In Java, JTA abstracts us from these variations but further brings provider-specific details and the complexity of the application server.

Spring platform provides us a much cleaner way of handling transactions, both resource local and global transactions in Java. This together with the other benefits of Spring creates a compelling case for using Spring to handle transactions. Moreover, it's quite easy to configure and switch a transaction manager with Spring, which can be server provided or standalone.

Spring provides us this seamless abstraction by creating a proxy for the methods with transactional code. The proxy manages the transaction state on behalf of the code with the help of TransactionManager:

The central interface here is PlatformTransactionManager which has a number of different implementations available. It provides abstractions over JDBC (DataSource), JMS, JPA, JTA, and many other resources.

6.1. Configurations

Let's see how we can configure Spring to use Atomikos as a transaction manager and provide transactional support for JPA and JMS. We'll begin by defining a PlatformTransactionManager of the type JTA:

@Bean public PlatformTransactionManager platformTransactionManager() throws Throwable { return new JtaTransactionManager( userTransaction(), transactionManager()); }

Here, we are providing instances of UserTransaction and TransactionManager to JTATransactionManager. These instances are provided by a transaction manager library like Atomikos:

@Bean public UserTransaction userTransaction() { return new UserTransactionImp(); } @Bean(initMethod = "init", destroyMethod = "close") public TransactionManager transactionManager() { return new UserTransactionManager(); }

The classes UserTransactionImp and UserTransactionManager are provided by Atomikos here.

Further, we need to define the JmsTemplete which the core class allowing synchronous JMS access in Spring:

@Bean public JmsTemplate jmsTemplate() throws Throwable { return new JmsTemplate(connectionFactory()); }

Here, ConnectionFactory is provided by Atomikos where it enables distributed transaction for Connection provided by it:

@Bean(initMethod = "init", destroyMethod = "close") public ConnectionFactory connectionFactory() { ActiveMQXAConnectionFactory activeMQXAConnectionFactory = new ActiveMQXAConnectionFactory(); activeMQXAConnectionFactory.setBrokerURL("tcp://localhost:61616"); AtomikosConnectionFactoryBean atomikosConnectionFactoryBean = new AtomikosConnectionFactoryBean(); atomikosConnectionFactoryBean.setUniqueResourceName("xamq"); atomikosConnectionFactoryBean.setLocalTransactionMode(false); atomikosConnectionFactoryBean.setXaConnectionFactory(activeMQXAConnectionFactory); return atomikosConnectionFactoryBean; }

So, as we can see, here we are wrapping a JMS provider-specific XAConnectionFactory with AtomikosConnectionFactoryBean.

Next, we need to define an AbstractEntityManagerFactoryBean that is responsible for creating JPA EntityManagerFactory bean in Spring:

@Bean public LocalContainerEntityManagerFactoryBean entityManager() throws SQLException { LocalContainerEntityManagerFactoryBean entityManager = new LocalContainerEntityManagerFactoryBean(); entityManager.setDataSource(dataSource()); Properties properties = new Properties(); properties.setProperty( "javax.persistence.transactionType", "jta"); entityManager.setJpaProperties(properties); return entityManager; }

As before, the DataSource that we set in the LocalContainerEntityManagerFactoryBean here is provided by Atomikos with distributed transactions enabled:

@Bean(initMethod = "init", destroyMethod = "close") public DataSource dataSource() throws SQLException { MysqlXADataSource mysqlXaDataSource = new MysqlXADataSource(); mysqlXaDataSource.setUrl("jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/test"); AtomikosDataSourceBean xaDataSource = new AtomikosDataSourceBean(); xaDataSource.setXaDataSource(mysqlXaDataSource); xaDataSource.setUniqueResourceName("xads"); return xaDataSource; }

Here again, we are wrapping the provider-specific XADataSource in AtomikosDataSourceBean.

6.2. Transaction Management

Having gone through all the configurations in the last section, we must feel quite overwhelmed! We may even question the benefits of using Spring after all. But do remember that all this configuration has enabled us abstraction from most of the provider-specific boilerplate and our actual application code does not need to be aware of that at all.

So, now we are ready to explore how to use transactions in Spring where we intend to update the database and publish messages. Spring provides us two ways to achieve this with their own benefits to choose from. Let's understand how we can make use of them:

  • Declarative Support

The easiest way to use transactions in Spring is with declarative support. Here, we have a convenience annotation available to be applied at the method or even at the class. This simply enables global transaction for our code:

@PersistenceContext EntityManager entityManager; @Autowired JmsTemplate jmsTemplate; @Transactional(propagation = Propagation.REQUIRED) public void process(ENTITY, MESSAGE) { entityManager.persist(ENTITY); jmsTemplate.convertAndSend(DESTINATION, MESSAGE); }

The simple code above is sufficient to allow a save-operation in the database and a publish-operation in message queue within a JTA transaction.

  • Programmatic Support

While the declarative support is quite elegant and simple, it does not offer us the benefit of controlling the transaction boundary more precisely. Hence, if we do have a certain need to achieve that, Spring offers programmatic support to demarcate transaction boundary:

@Autowired private PlatformTransactionManager transactionManager; public void process(ENTITY, MESSAGE) { TransactionTemplate transactionTemplate = new TransactionTemplate(transactionManager); transactionTemplate.executeWithoutResult(status -> { entityManager.persist(ENTITY); jmsTemplate.convertAndSend(DESTINATION, MESSAGE); }); }

So, as we can see, we have to create a TransactionTemplate with the available PlatformTransactionManager. Then we can use the TransactionTemplete to process a bunch of statements within a global transaction.

7. Afterthoughts

As we have seen that handling transactions, particularly those that span across multiple resources are complex. Moreover, transactions are inherently blocking which is detrimental to latency and throughput of an application. Further, testing and maintaining code with distributed transactions is not easy, especially if the transaction depends on the underlying application server. So, all in all, it's best to avoid transactions at all if we can!

But that is far from reality. In short, in real-world applications, we do often have a legitimate need for transactions. Although it's possible to rethink the application architecture without transactions, it may not always be possible. Hence, we must adopt certain best practices when working with transactions in Java to make our applications better:

  • One of the fundamental shifts we should adopt is to use standalone transaction managers instead of those provided by an application server. This alone can simplify our application greatly. Moreover, it's much suited for cloud-native microservice architecture.
  • Further, an abstraction layer like Spring can help us contain the direct impact of providers like JPA or JTA providers. So, this can enable us to switch between providers without much impact on our business logic. Moreover, it takes away the low-level responsibilities of managing the transaction state from us.
  • Lastly, we should be careful in picking the transaction boundary in our code. Since transactions are blocking, it's always better to keep the transaction boundary as restricted as possible. If necessary we should prefer programmatic over declarative control for transactions.

8. Conclusion

Zusammenfassend haben wir in diesem Tutorial Transaktionen im Kontext von Java besprochen. Wir haben die Unterstützung für lokale Transaktionen einzelner Ressourcen in Java für verschiedene Ressourcen durchlaufen. Wir haben auch die Wege durchlaufen, um globale Transaktionen in Java zu erreichen.

Darüber hinaus haben wir verschiedene Methoden zur Verwaltung globaler Transaktionen in Java durchlaufen. Wir haben auch verstanden, wie Spring uns die Verwendung von Transaktionen in Java erleichtert.

Schließlich haben wir einige der Best Practices für die Arbeit mit Transaktionen in Java durchgearbeitet.