最近在項(xiàng)目中遇到了類似“秒殺”的業(yè)務(wù)場景，在本篇博客中，我將用一個非常簡單的demo臣淤，闡述實(shí)現(xiàn)所謂“秒殺”的基本思路。
業(yè)務(wù)場景
所謂秒殺晌姚，從業(yè)務(wù)角度看，是短時間內(nèi)多個用戶“爭搶”資源歇竟，這里的資源在大部分秒殺場景里是商品挥唠；將業(yè)務(wù)抽象，技術(shù)角度看途蒋，秒殺就是多個線程對資源進(jìn)行操作猛遍，所以實(shí)現(xiàn)秒殺，就必須控制線程對資源的爭搶号坡，既要保證高效并發(fā)，也要保證操作的正確梯醒。
一些可能的實(shí)現(xiàn)
剛才提到過宽堆，實(shí)現(xiàn)秒殺的關(guān)鍵點(diǎn)是控制線程對資源的爭搶，根據(jù)基本的線程知識茸习，可以不加思索的想到下面的一些方法：
1畜隶、秒殺在技術(shù)層面的抽象應(yīng)該就是一個方法，在這個方法里可能的操作是將商品庫存-1号胚，將商品加入用戶的購物車等等籽慢，在不考慮緩存的情況下應(yīng)該是要操作數(shù)據(jù)庫的。那么最簡單直接的實(shí)現(xiàn)就是在這個方法上加上synchronized關(guān)鍵字猫胁，通俗的講就是鎖住整個方法箱亿；
2、鎖住整個方法這個策略簡單方便弃秆，但是似乎有點(diǎn)粗暴届惋∷杳保可以稍微優(yōu)化一下，只鎖住秒殺的代碼塊脑豹，比如寫數(shù)據(jù)庫的部分郑藏；
3、既然有并發(fā)問題瘩欺，那我就讓他“不并發(fā)”必盖，將所有的線程用一個隊(duì)列管理起來，使之變成串行操作俱饿，自然不會有并發(fā)問題筑悴。
上面所述的方法都是有效的，但是都不好稍途。為什么阁吝？第一和第二種方法本質(zhì)上是“加鎖”，但是鎖粒度依然比較高械拍。什么意思突勇？試想一下，如果兩個線程同時執(zhí)行秒殺方法坷虑，這兩個線程操作的是不同的商品,從業(yè)務(wù)上講應(yīng)該是可以同時進(jìn)行的甲馋，但是如果采用第一二種方法，這兩個線程也會去爭搶同一個鎖迄损，這其實(shí)是不必要的定躏。第三種方法也沒有解決上面說的問題。
那么如何將鎖控制在更細(xì)的粒度上呢芹敌？可以考慮為每個商品設(shè)置一個互斥鎖痊远，以和商品ID相關(guān)的字符串為唯一標(biāo)識，這樣就可以做到只有爭搶同一件商品的線程互斥氏捞，不會導(dǎo)致所有的線程互斥碧聪。分布式鎖恰好可以幫助我們解決這個問題。
何為分布式鎖
分布式鎖是控制分布式系統(tǒng)之間同步訪問共享資源的一種方式液茎。在分布式系統(tǒng)中逞姿，常常需要協(xié)調(diào)他們的動作。如果不同的系統(tǒng)或是同一個系統(tǒng)的不同主機(jī)之間共享了一個或一組資源捆等，那么訪問這些資源的時候滞造，往往需要互斥來防止彼此干擾來保證一致性，在這種情況下栋烤，便需要使用到分布式鎖谒养。
我們來假設(shè)一個最簡單的秒殺場景：數(shù)據(jù)庫里有一張表，column分別是商品ID班缎，和商品ID對應(yīng)的庫存量蝴光，秒殺成功就將此商品庫存量-1∷剩現(xiàn)在假設(shè)有1000個線程來秒殺兩件商品，500個線程秒殺第一個商品蔑祟，500個線程秒殺第二個商品趁耗。我們來根據(jù)這個簡單的業(yè)務(wù)場景來解釋一下分布式鎖。
通常具有秒殺場景的業(yè)務(wù)系統(tǒng)都比較復(fù)雜疆虚，承載的業(yè)務(wù)量非常巨大苛败，并發(fā)量也很高。這樣的系統(tǒng)往往采用分布式的架構(gòu)來均衡負(fù)載径簿。那么這1000個并發(fā)就會是從不同的地方過來罢屈，商品庫存就是共享的資源，也是這1000個并發(fā)爭搶的資源篇亭，這個時候我們需要將并發(fā)互斥管理起來缠捌。這就是分布式鎖的應(yīng)用。
而key-value存儲系統(tǒng)译蒂，如redis曼月，因?yàn)槠湟恍┨匦裕菍?shí)現(xiàn)分布式鎖的重要工具柔昼。
具體的實(shí)現(xiàn)
先來看看一些redis的基本命令：
SETNX key value
如果key不存在哑芹，就設(shè)置key對應(yīng)字符串value。在這種情況下捕透，該命令和SET一樣聪姿。當(dāng)key已經(jīng)存在時，就不做任何操作乙嘀。SETNX是"SET if Not eXists"末购。
expire KEY seconds
設(shè)置key的過期時間。如果key已過期乒躺，將會被自動刪除招盲。
del KEY
刪除key
由于筆者的實(shí)現(xiàn)只用到這三個命令，就只介紹這三個命令嘉冒，更多的命令以及redis的特性和使用，可以參考redis官網(wǎng)咆繁。
需要考慮的問題
1讳推、用什么操作redis？幸虧redis已經(jīng)提供了jedis客戶端用于java應(yīng)用程序玩般，直接調(diào)用jedis API即可银觅。
2、怎么實(shí)現(xiàn)加鎖坏为？“鎖”其實(shí)是一個抽象的概念究驴，將這個抽象概念變?yōu)榫唧w的東西镊绪，就是一個存儲在redis里的key-value對，key是于商品ID相關(guān)的字符串來唯一標(biāo)識洒忧，value其實(shí)并不重要蝴韭，因?yàn)橹灰@個唯一的key-value存在，就表示這個商品已經(jīng)上鎖熙侍。
3榄鉴、如何釋放鎖？既然key-value對存在就表示上鎖蛉抓，那么釋放鎖就自然是在redis里刪除key-value對庆尘。
4、阻塞還是非阻塞巷送？筆者采用了阻塞式的實(shí)現(xiàn)驶忌，若線程發(fā)現(xiàn)已經(jīng)上鎖，會在特定時間內(nèi)輪詢鎖笑跛。
5付魔、如何處理異常情況？比如一個線程把一個商品上了鎖堡牡，但是由于各種原因抒抬，沒有完成操作（在上面的業(yè)務(wù)場景里就是沒有將庫存-1寫入數(shù)據(jù)庫），自然沒有釋放鎖晤柄，這個情況筆者加入了鎖超時機(jī)制擦剑，利用redis的expire命令為key設(shè)置超時時長，過了超時時間redis就會將這個key自動刪除芥颈，即強(qiáng)制釋放鎖（可以認(rèn)為超時釋放鎖是一個異步操作惠勒，由redis完成，應(yīng)用程序只需要根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)置超時時間即可）爬坑。
talk is cheap,show me the code
在代碼實(shí)現(xiàn)層面纠屋，注解有并發(fā)的方法和參數(shù)，通過動態(tài)代理獲取注解的方法和參數(shù)盾计，在代理中加鎖售担，執(zhí)行完被代理的方法后釋放鎖。
幾個注解定義：
cachelock是方法級的注解署辉，用于注解會產(chǎn)生并發(fā)問題的方法:
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface CacheLock {
String lockedPrefix() default "";//redis 鎖key的前綴
long timeOut() default 2000;//輪詢鎖的時間
int expireTime() default 1000;//key在redis里存在的時間族铆，1000S
}
lockedObject是參數(shù)級的注解，用于注解商品ID等基本類型的參數(shù)：
@Target(ElementType.PARAMETER)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface LockedObject {
//不需要值
}
LockedComplexObject也是參數(shù)級的注解哭尝，用于注解自定義類型的參數(shù)：
@Target(ElementType.PARAMETER)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface LockedComplexObject {
String field() default "";//含有成員變量的復(fù)雜對象中需要加鎖的成員變量哥攘，如一個商品對象的商品ID
}
CacheLockInterceptor實(shí)現(xiàn)InvocationHandler接口，在invoke方法中獲取注解的方法和參數(shù)，在執(zhí)行注解的方法前加鎖逝淹，執(zhí)行被注解的方法后釋放鎖：
public class CacheLockInterceptor implements InvocationHandler{
public static int ERROR_COUNT = 0;
private Object proxied;
public CacheLockInterceptor(Object proxied) {
this.proxied = proxied;
}
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
CacheLock cacheLock = method.getAnnotation(CacheLock.class);
//沒有cacheLock注解耕姊，pass
if(null == cacheLock){
System.out.println("no cacheLock annotation");
return method.invoke(proxied, args);
}
//獲得方法中參數(shù)的注解
Annotation[][] annotations = method.getParameterAnnotations();
//根據(jù)獲取到的參數(shù)注解和參數(shù)列表獲得加鎖的參數(shù)
Object lockedObject = getLockedObject(annotations,args);
String objectValue = lockedObject.toString();
//新建一個鎖
RedisLock lock = new RedisLock(cacheLock.lockedPrefix(), objectValue);
//加鎖
boolean result = lock.lock(cacheLock.timeOut(), cacheLock.expireTime());
if(!result){//取鎖失敗
ERROR_COUNT += 1;
throw new CacheLockException("get lock fail");
}
try{
//加鎖成功，執(zhí)行方法
return method.invoke(proxied, args);
}finally{
lock.unlock();//釋放鎖
}
}
/**
*
* @param annotations
* @param args
* @return
* @throws CacheLockException
*/
private Object getLockedObject(Annotation[][] annotations,Object[] args) throws CacheLockException{
if(null == args || args.length == 0){
throw new CacheLockException("方法參數(shù)為空栅葡，沒有被鎖定的對象");
}
if(null == annotations || annotations.length == 0){
throw new CacheLockException("沒有被注解的參數(shù)");
}
//不支持多個參數(shù)加鎖茉兰，只支持第一個注解為lockedObject或者lockedComplexObject的參數(shù)
int index = -1;//標(biāo)記參數(shù)的位置指針
for(int i = 0;i < annotations.length;i++){
for(int j = 0;j < annotations[i].length;j++){
if(annotations[i][j] instanceof LockedComplexObject){//注解為LockedComplexObject
index = i;
try {
return args[i].getClass().getField(((LockedComplexObject)annotations[i][j]).field());
} catch (NoSuchFieldException | SecurityException e) {
throw new CacheLockException("注解對象中沒有該屬性" + ((LockedComplexObject)annotations[i][j]).field());
}
}
if(annotations[i][j] instanceof LockedObject){
index = i;
break;
}
}
//找到第一個后直接break，不支持多參數(shù)加鎖
if(index != -1){
break;
}
}
if(index == -1){
throw new CacheLockException("請指定被鎖定參數(shù)");
}
return args[index];
}
}
最關(guān)鍵的RedisLock類中的lock方法和unlock方法：
/**
* 加鎖
* 使用方式為：
* lock();
* try{
* executeMethod();
* }finally{
* unlock();
* }
* @param timeout timeout的時間范圍內(nèi)輪詢鎖
* @param expire 設(shè)置鎖超時時間
* @return 成功 or 失敗
*/
public boolean lock(long timeout,int expire){
long nanoTime = System.nanoTime();
timeout *= MILLI_NANO_TIME;
try {
//在timeout的時間范圍內(nèi)不斷輪詢鎖
while (System.nanoTime() - nanoTime < timeout) {
//鎖不存在的話妥畏，設(shè)置鎖并設(shè)置鎖過期時間邦邦，即加鎖
if (this.redisClient.setnx(this.key, LOCKED) == 1) {
this.redisClient.expire(key, expire);//設(shè)置鎖過期時間是為了在沒有釋放
//鎖的情況下鎖過期后消失，不會造成永久阻塞
this.lock = true;
return this.lock;
}
System.out.println("出現(xiàn)鎖等待");
//短暫休眠醉蚁，避免可能的活鎖
Thread.sleep(3, RANDOM.nextInt(30));
}
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException("locking error",e);
}
return false;
}
public void unlock() {
try {
if(this.lock){
redisClient.delKey(key);//直接刪除
}
} catch (Throwable e) {
}
}
上述的代碼是框架性的代碼燃辖，現(xiàn)在來講解如何使用上面的簡單框架來寫一個秒殺函數(shù)。
先定義一個接口网棍，接口里定義了一個秒殺方法：
public interface SeckillInterface {
/**
*現(xiàn)在暫時只支持在接口方法上注解
*/
//cacheLock注解可能產(chǎn)生并發(fā)的方法
@CacheLock(lockedPrefix="TEST_PREFIX")
public void secKill(String userID,@LockedObject Long commidityID);//最簡單的秒殺方法黔龟，參數(shù)是用戶ID和商品ID±溺瑁可能有多個線程爭搶一個商品氏身，所以商品ID加上LockedObject注解
}
上述SeckillInterface接口的實(shí)現(xiàn)類，即秒殺的具體實(shí)現(xiàn)：
public class SecKillImpl implements SeckillInterface{
static Map<Long, Long> inventory ;
static{
inventory = new HashMap<>();
inventory.put(10000001L, 10000l);
inventory.put(10000002L, 10000l);
}
@Override
public void secKill(String arg1, Long arg2) {
//最簡單的秒殺惑畴，這里僅作為demo示例
reduceInventory(arg2);
}
//模擬秒殺操作蛋欣，姑且認(rèn)為一個秒殺就是將庫存減一，實(shí)際情景要復(fù)雜的多
public Long reduceInventory(Long commodityId){
inventory.put(commodityId,inventory.get(commodityId) - 1);
return inventory.get(commodityId);
}
}
模擬秒殺場景如贷，1000個線程來爭搶兩個商品：
@Test
public void testSecKill(){
int threadCount = 1000;
int splitPoint = 500;
CountDownLatch endCount = new CountDownLatch(threadCount);
CountDownLatch beginCount = new CountDownLatch(1);
SecKillImpl testClass = new SecKillImpl();
Thread[] threads = new Thread[threadCount];
//起500個線程陷虎，秒殺第一個商品
for(int i= 0;i < splitPoint;i++){
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
try {
//等待在一個信號量上，掛起
beginCount.await();
//用動態(tài)代理的方式調(diào)用secKill方法
SeckillInterface proxy = (SeckillInterface) Proxy.newProxyInstance(SeckillInterface.class.getClassLoader(),
new Class[]{SeckillInterface.class}, new CacheLockInterceptor(testClass));
proxy.secKill("test", commidityId1);
endCount.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
});
threads[i].start();
}
//再起500個線程杠袱，秒殺第二件商品
for(int i= splitPoint;i < threadCount;i++){
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
try {
//等待在一個信號量上尚猿，掛起
beginCount.await();
//用動態(tài)代理的方式調(diào)用secKill方法
SeckillInterface proxy = (SeckillInterface) Proxy.newProxyInstance(SeckillInterface.class.getClassLoader(),
new Class[]{SeckillInterface.class}, new CacheLockInterceptor(testClass));
proxy.secKill("test", commidityId2);
//testClass.testFunc("test", 10000001L);
endCount.countDown();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
});
threads[i].start();
}
long startTime = System.currentTimeMillis();
//主線程釋放開始信號量，并等待結(jié)束信號量楣富，這樣做保證1000個線程做到完全同時執(zhí)行凿掂，保證測試的正確性
beginCount.countDown();
try {
//主線程等待結(jié)束信號量
endCount.await();
//觀察秒殺結(jié)果是否正確
System.out.println(SecKillImpl.inventory.get(commidityId1));
System.out.println(SecKillImpl.inventory.get(commidityId2));
System.out.println("error count" + CacheLockInterceptor.ERROR_COUNT);
System.out.println("total cost " + (System.currentTimeMillis() - startTime));
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
在正確的預(yù)想下，應(yīng)該每個商品的庫存都減少了500纹蝴，在多次試驗(yàn)后庄萎，實(shí)際情況符合預(yù)想。如果不采用鎖機(jī)制塘安，會出現(xiàn)庫存減少499惨恭，498的情況。
這里采用了動態(tài)代理的方法耙旦，利用注解和反射機(jī)制得到分布式鎖ID，進(jìn)行加鎖和釋放鎖操作。當(dāng)然也可以直接在方法進(jìn)行這些操作免都，采用動態(tài)代理也是為了能夠?qū)㈡i操作代碼集中在代理中锉罐，便于維護(hù)。
通常秒殺場景發(fā)生在web項(xiàng)目中绕娘，可以考慮利用spring的AOP特性將鎖操作代碼置于切面中脓规，當(dāng)然AOP本質(zhì)上也是動態(tài)代理。
小結(jié)
這篇文章從業(yè)務(wù)場景出發(fā)险领，從抽象到實(shí)現(xiàn)闡述了如何利用redis實(shí)現(xiàn)分布式鎖侨舆，完成簡單的秒殺功能，也記錄了筆者思考的過程绢陌，希望能給閱讀到本篇文章的人一些啟發(fā)挨下。
