实践角度，谈谈库存扣减和锁

Posted 2021-12-05 Java知音_

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来源：blog.csdn.net/qq315737546/

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先说场景:

物品W现在库存剩余1个,  用户P1,P2同时购买.则只有1人能购买成功.(前提是不允许超卖)

秒杀也是类似的情况, 只有1件商品,N个用户同时抢购,只有1人能抢到..

这里不谈秒杀设计,不谈使用队列等使请求串行化,就谈下怎么用锁来保证数据正确.

常见的实现方案有以下几种:

1. 代码同步, 例如使用 synchronized ,lock 等同步方法

2. 不查询,直接更新  update table set surplus = (surplus - buyQuantity) where id = xx and (surplus - buyQuantity) > 0

3. 使用CAS, update table set surplus = aa where id = xx and version = y

4. 使用数据库锁, select xx for update

5. 使用分布式锁(zookeeper,redis等)

下面就针对这几种方案来分析下;

1.代码同步, 例如使用 synchronized ,lock 等同步方法

面试的时候,我经常会问这个问题,很大一部分人都会回答用这个方案来实现.

伪代码如下:

public synchronized void buy(String productName, Integer buyQuantity) {
 // 其他校验...
 // 校验剩余数量
 Product product  = 从数据库查询出记录;
 if (product.getSurplus < buyQuantity) {
  return "库存不足";
 }
 
 // set新的剩余数量
 product.setSurplus(product.getSurplus() - quantity);
 // 更新数据库
 update(product);
 // 记录日志...
 // 其他业务...
}

在方法声明加上synchronized关键字,实现同步,这样2个用户同时购买,到buy方法时候同步执行,第2个用户执行的时候,会库存不足.

嗯.. 看着挺合理的,以前我也是这么干的. 所以现在碰到别人这样回答,我就会在心里默默的想.小伙子你是没踩过这坑啊.

先说下这个方案的前提配置:

• 使用spring 声明式事务管理

• 事务传播机制使用默认的(PROPAGATION_REQUIRED)

• 项目分层为controller-service-dao 3层, 事务管理在service层

这个方案不可行,主要是因为以下几点:

1).synchronized 作用范围是单个jvm实例, 如果做了集群,分布式等,就没用了

2).synchronized是作用在对象实例上的,如果不是单例,则多个实例间不会同步(这个一般用spring管理bean,默认就是单例)

3).单个jvm时,synchronized也不能保证多个数据库事务的隔离性. 这与代码中的事务传播级别,数据库的事务隔离级别,加锁时机等相关.

3-1).先说隔离级别,常用的是 Read Committed 和 Repeatable Read ,另外2种不常用就不说了

3-1-1)RR(Repeatable Read)级别.mysql默认的是RR,事务开启后,不会读取到其他事务提交的数据

根据前面的前提,我们知道在buy方法时会开启事务.

假设现在有线程T1,T2同时执行buy方法.假设T1先执行,T2等待.

spring的事务开启和提交等是通过aop(代理)实现的,所以执行buy方法前,就会开启事务.

这时候T1,T2是两个事务,当T1执行完后,T2执行,读取不到T1提交的数据,所以会出问题.

3-1-2).RC(Read Committed)级别.事务开启后,可以读取到其他事务提交的数据

看起来这个级别可以解决上面的问题.T2执行时,可以读取到T1提交的结果.

但是问题是,T2执行的时候, T1的事务提交了吗?

事务和锁的流程如下

1. 开启事务(aop)

2. 加锁(进入synchronized方法)

3. 释放锁(退出synchronized方法)

4. 提交事务(aop)

可以看出是先释放锁,再提交事务.所以T2执行查询,可能还是未读到T1提交的数据,还会出问题

3-2).根据3-1中的问题,发现主要矛盾是事务开启和提交的时机与加锁解锁时机不一致.有小伙伴们可能就想到了解决方案.

3-2-1).在事务开启前加锁,事务提交后解锁.

确实是可以,这相当于事务串行化.抛开性能不谈,来谈谈怎么实现.

如果使用默认的事务传播机制,那么要保证事务开启前加锁,事务提交后解锁,就需要把加锁,解锁放在controller层.

这样就有个潜在问题,所有操作库存的方法,都要加锁,而且要是同一把锁,写起来挺累的.

而且这样还是不能跨jvm.

3-2-2).将查询库存,扣减库存这2步操作,单独提取个方法,单独使用事务,并且事务隔离级别设置为RC.

这个其实和上面的3-2-1异曲同工,最终都是讲加解锁放在了事务开启提交外层.

比较而言优点是入口少了. controller不用处理.

缺点除了上面的不能跨jvm,还有就是 单独的这个方法,需要放到另外的service类中.

因为使用spring,同一个bean的内部方法调用,是不会被再次代理的,所以配置的单独事务等需要放到另外的service bean 中

2.不查询,直接更新

看完第一种方案,有小伙伴就说了. 你说的那么复杂,那么多问题,不就是因为查询的数据不是最新的吗?

我们不查询,直接更新不就行啦.

伪代码如下:

public synchronized void buy(String productName, Integer buyQuantity) {
 // 其他校验...
 int 影响行数 = update table set surplus = (surplus - buyQuantity) where id = 1 ;
 if (result < 0) {
  return "库存不足";
 }
 // 记录日志...
 // 其他业务...
}

测试后发现库存变成-1了, 继续完善下

public synchronized void buy(String productName, Integer buyQuantity) {
 // 其他校验...
 int 影响行数 = update table set surplus = (surplus - buyQuantity) where id = 1 and (surplus - buyQuantity) > 0 ;
 if (result < 0) {
  return "库存不足";
 }
 // 记录日志...
 // 其他业务...
}

测试后,功能OK;

这样确实可以实现,不过有一些其他问题:

• 不具备通用性,例如add操作

• 库存操作一般要记录操作前后的数量等,这样没法记录

• 其他...

但是根据这个方案,可以引出方案3.

3.使用CAS, update table set surplus = aa where id = xx and yy = y

CAS是指compare/check and swap/set 意思都差不多,不必太纠结是哪个单词

我们将上面的sql修改一下:

int 影响行数 = update table set surplus = newQuantity where id = 1 and surplus = oldQuantity ;

这样,线程T1执行完后,线程T2去更新,影响行数=0,则说明数据被更新, 重新查询判断执行.伪代码如下:

public void buy(String productName, Integer buyQuantity) {
 // 其他校验...
 Product product = getByDB(productName);
 int 影响行数 = update table set surplus = (surplus - buyQuantity) where id = 1 and surplus = 查询的剩余数量 ;
 while (result == 0) {
  product = getByDB(productName);
  if (查询的剩余数量 > buyQuantity) {
   影响行数 = update table set surplus = (surplus - buyQuantity) where id = 1 and surplus = 查询的剩余数量 ;
  } else {
   return "库存不足";
  }
 }
 
 // 记录日志...
 // 其他业务...
}

看到重新查询几个字,小伙伴们应该就又想到事务隔离级别问题了.

没错,所以上面代码中的getByDB方法,必须单独事务(注意同一个bean内单独事务不生效哦),而且数据库的事务隔离级别必须是RC,

否则上面的代码就会是死循环了.

上面的方案,可能会出现一个CAS中经典问题. ABA的问题.

ABA是指:

• 线程T1 查询,库存剩余  100

• 线程T2 查询,库存剩余  100

• 线程T1 执行 sub update t set surplus = 90 where id = x and surplus = 100;

• 线程T3 查询, 库存剩余 90

• 线程T3 执行add  update t set surplus = 100 where id = x and surplus = 90;

• 线程T2 执行sub update t set surplus = 90 where id = x and surplus = 100;

这里线程T2执行的时候,库存的100已经不是查询到的100了,但是对于这个业务是不影响的.

一般的设计中CAS会使用version来控制.

update t set surplus = 90 ,version = version+1 where id = x and version = oldVersion ;

这样,每次更新version在原基础上+1,就可以了.

使用CAS要注意几点,

• 失败重试次数,是否需要限制

• 失败重试对用户是透明的

4.使用数据库锁, select xx for update

方案3种的cas,是乐观锁的实现, 而select for udpate 则是悲观锁. 在查询数据的时候,就将数据锁住.

伪代码如下:

public void buy(String productName, Integer buyQuantity) {
 // 其他校验...
 Product product = select * from table where name = productName for update;
 if (查询的剩余数量 > buyQuantity) {
  影响行数 = update table set surplus = (surplus - buyQuantity) where name = productName ;
 } else {
  return "库存不足";
 }
 
 // 记录日志...
 // 其他业务...
}

线程T1 进行sub , 查询库存剩余 100

线程T2 进行sub , 这时候,线程T1事务还未提交,线程T2阻塞,直到线程T1事务提交或回滚才能查询出结果.

所以线程T2查询出的一定是最新的数据.相当于事务串行化了,就解决了数据一致性问题.

对于select for update,需要注意的有2点.

1. 统一入口:所有库存操作都需要统一使用 select for update ,这样才会阻塞, 如果另外一个方法还是普通的select, 是不会被阻塞的

2. 加锁顺序:如果有多个锁,那么加锁顺序要一致,否则会出现死锁.

5.使用分布式锁(zookeeper,redis等)

使用分布式锁,原理和方案1种的synchronized是一样的.只不过synchronized的flag只有jvm进程内可见,而分布式锁的flag则是全局可见.方案4种的select for update 的flag 也是全局可见.

分布式锁的实现方案有很多:基于redis,基于zookeeper,基于数据库等等.

需要注意,使用分布式锁和synchronized锁有同样的问题,就是锁和事务的顺序,这个在方案1里面已经讲过.不再重复.

做个简单总结:

• 方案1: synchronized等jvm内部锁不适合用来保证数据库数据一致性,不能跨jvm

• 方案2: 不具备通用性,不能记录操作前后日志

• 方案3: 推荐使用.但是如果数据竞争激烈,则自动重试次数会急剧上升,需要注意.

• 方案4: 推荐使用.最简单的方案,但是如果事务过大,会有性能问题.操作不当,会有死锁问题

• 方案5: 和方案1类似,只是能跨jvm

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