Introduzione alle transazioni in Java e Spring

1. Introduzione

In questo tutorial capiremo cosa si intende per transazioni in Java. In questo modo capiremo come eseguire transazioni locali di risorse e transazioni globali. Questo ci consentirà anche di esplorare diversi modi per gestire le transazioni in Java e Spring.

2. Che cos'è una transazione?

Le transazioni in Java, come in generale si riferiscono a una serie di azioni che devono essere tutte completate correttamente. Pertanto, se una o più azioni falliscono, tutte le altre azioni devono essere annullate lasciando invariato lo stato dell'applicazione . Ciò è necessario per garantire che l'integrità dello stato dell'applicazione non venga mai compromessa.

Inoltre, queste transazioni possono coinvolgere una o più risorse come database, code di messaggi, dando origine a diversi modi per eseguire azioni in una transazione. Questi includono l'esecuzione di transazioni locali di risorse con singole risorse. In alternativa, più risorse possono partecipare a una transazione globale.

3. Transazioni locali delle risorse

Per prima cosa esploreremo come possiamo utilizzare le transazioni in Java mentre lavoriamo con le singole risorse. Qui, potremmo avere più azioni individuali che eseguiamo con una risorsa come un database . Ma potremmo volere che avvengano come un tutto unificato, come in un'unità di lavoro indivisibile. In altre parole, vogliamo che queste azioni avvengano in un'unica transazione.

In Java, abbiamo diversi modi per accedere e operare su una risorsa come un database. Quindi, anche il modo in cui trattiamo le transazioni non è lo stesso. In questa sezione scopriremo come utilizzare le transazioni con alcune di queste librerie in Java che vengono utilizzate abbastanza spesso.

3.1. JDBC

Java Database Connectivity (JDBC) è l'API in Java che definisce come accedere ai database in Java . Diversi fornitori di database forniscono driver JDBC per la connessione al database in modo indipendente dal fornitore. Quindi, recuperiamo una connessione da un driver per eseguire diverse operazioni sul database:

JDBC ci fornisce le opzioni per eseguire le istruzioni in una transazione. Il comportamento predefinito di una connessione è il commit automatico . Per chiarire, ciò significa che ogni singola istruzione viene trattata come una transazione e viene automaticamente confermata subito dopo l'esecuzione.

Tuttavia, se desideriamo raggruppare più dichiarazioni in una singola transazione, è possibile ottenere anche:

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(); }

Qui, abbiamo disabilitato la modalità di commit automatico di Connection . Quindi, possiamo definire manualmente il limite della transazione ed eseguire un commit o un rollback . JDBC ci consente anche di impostare un punto di salvataggio che ci fornisce un maggiore controllo sulla quantità di rollback.

3.2. JPA

Java Persistence API (JPA) è una specifica in Java che può essere utilizzata per colmare il divario tra modelli di dominio orientati agli oggetti e sistemi di database relazionali . Quindi, ci sono diverse implementazioni di JPA disponibili da terze parti come Hibernate, EclipseLink e iBatis.

In JPA, possiamo definire classi regolari come un'entità che fornisce loro un'identità persistente. La classe EntityManager fornisce l'interfaccia necessaria per lavorare con più entità all'interno di un contesto di persistenza . Il contesto di persistenza può essere pensato come una cache di primo livello in cui vengono gestite le entità:

Il contesto di persistenza qui può essere di due tipi, con ambito di transazione o con ambito esteso. Un contesto di persistenza con ambito di transazione è associato a una singola transazione. Mentre il contesto di persistenza con ambito esteso può estendersi su più transazioni. L' ambito predefinito di un contesto di persistenza è l'ambito della transazione .

Vediamo come possiamo creare un EntityManager e definire manualmente un limite di transazione:

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(); }

Qui, stiamo creando un EntityManager da EntityManagerFactory nel contesto di un contesto di persistenza con ambito di transazione. Quindi definiamo il limite della transazione con i metodi di inizio , commit e rollback .

3.3. JMS

Java Messaging Service (JMS) è una specifica in Java che consente alle applicazioni di comunicare in modo asincrono utilizzando i messaggi . L'API ci consente di creare, inviare, ricevere e leggere messaggi da una coda o da un argomento. Esistono diversi servizi di messaggistica conformi alle specifiche JMS, inclusi OpenMQ e ActiveMQ.

L'API JMS supporta il raggruppamento di più operazioni di invio o ricezione in una singola transazione. Tuttavia, per la natura dell'architettura di integrazione basata sui messaggi, la produzione e il consumo di un messaggio non possono essere parte della stessa transazione . L'ambito della transazione rimane tra il client e il provider JMS:

JMS ci consente di creare una sessione da una connessione che otteniamo da una ConnectionFactory specifica del fornitore . Abbiamo un'opzione per creare una sessione che viene eseguita o meno . Per i non-transazione Session s , siamo in grado di definire ulteriormente la modalità un appropriato riconoscere pure.

Vediamo come possiamo creare una Sessione con transazione per inviare più messaggi in una transazione:

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(); }

Qui stiamo creando un MessageProducer per la destinazione del tipo di argomento. Otteniamo la destinazione dalla sessione che abbiamo creato in precedenza. Utilizziamo inoltre Session per definire i limiti delle transazioni utilizzando i metodi commit e rollback .

4. Transazioni globali

Come abbiamo visto, le transazioni locali delle risorse ci consentono di eseguire più operazioni all'interno di una singola risorsa come un tutto unificato. Tuttavia, molto spesso ci occupiamo di operazioni che si estendono su più risorse . Ad esempio, operazione in due database diversi o un database e una coda di messaggi. Qui, il supporto per le transazioni locali all'interno delle risorse non sarà sufficiente per noi.

Ciò di cui abbiamo bisogno in questi scenari è un meccanismo globale per delimitare le transazioni che abbracciano più risorse partecipanti . Questo è spesso noto come transazioni distribuite e ci sono specifiche che sono state proposte per gestirle in modo efficace.

La specifica XA è una di queste specifiche che definisce un gestore delle transazioni per controllare le transazioni su più risorse . Java ha un supporto abbastanza maturo per le transazioni distribuite conformi alla specifica XA attraverso i componenti JTA e 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

Per riassumere, in questo tutorial abbiamo discusso le transazioni nel contesto di Java. Abbiamo ricevuto il supporto per le transazioni locali delle singole risorse in Java per risorse diverse. Abbiamo anche esaminato i modi per ottenere transazioni globali in Java.

Inoltre, abbiamo seguito diversi modi per gestire le transazioni globali in Java. Inoltre, abbiamo capito come Spring ci semplifichi l'utilizzo delle transazioni in Java.

Infine, abbiamo esaminato alcune delle migliori pratiche quando si lavora con le transazioni in Java.