基于redis分布式鎖實(shí)現(xiàn)“秒殺”

最近在項(xiàng)目中遇到了類似“秒殺”的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，在本篇博客中，我將用一個(gè)非常簡(jiǎn)單的demo，闡述實(shí)現(xiàn)所謂“秒殺”的基本思路。

業(yè)務(wù)場(chǎng)景
所謂秒殺，從業(yè)務(wù)角度看，是短時(shí)間內(nèi)多個(gè)用戶“爭(zhēng)搶”資源，這里的資源在大部分秒殺場(chǎng)景里是商品；將業(yè)務(wù)抽象，技術(shù)角度看，秒殺就是多個(gè)線程對(duì)資源進(jìn)行操作，所以實(shí)現(xiàn)秒殺，就必須控制線程對(duì)資源的爭(zhēng)搶，既要保證高效并發(fā)，也要保證操作的正確。

一些可能的實(shí)現(xiàn)
剛才提到過，實(shí)現(xiàn)秒殺的關(guān)鍵點(diǎn)是控制線程對(duì)資源的爭(zhēng)搶，根據(jù)基本的線程知識(shí)，可以不加思索的想到下面的一些方法：
1、秒殺在技術(shù)層面的抽象應(yīng)該就是一個(gè)方法，在這個(gè)方法里可能的操作是將商品庫存-1，將商品加入用戶的購物車等等，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(jiǎn)單直接的實(shí)現(xiàn)就是在這個(gè)方法上加上synchronized關(guān)鍵字，通俗的講就是鎖住整個(gè)方法；
2、鎖住整個(gè)方法這個(gè)策略簡(jiǎn)單方便，但是似乎有點(diǎn)粗暴?？梢陨晕?yōu)化一下，只鎖住秒殺的代碼塊，比如寫數(shù)據(jù)庫的部分；
3、既然有并發(fā)問題，那我就讓他“不并發(fā)”，將所有的線程用一個(gè)隊(duì)列管理起來，使之變成串行操作，自然不會(huì)有并發(fā)問題。

上面所述的方法都是有效的，但是都不好。為什么？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。什么意思？試想一下，如果兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行秒殺方法，這兩個(gè)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(shí)進(jìn)行的，但是如果采用第一二種方法，這兩個(gè)線程也會(huì)去爭(zhēng)搶同一個(gè)鎖，這其實(shí)是不必要的。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？可以考慮為每個(gè)商品設(shè)置一個(gè)互斥鎖，以和商品ID相關(guān)的字符串為唯一標(biāo)識(shí)，這樣就可以做到只有爭(zhēng)搶同一件商品的線程互斥，不會(huì)導(dǎo)致所有的線程互斥。分布式鎖恰好可以幫助我們解決這個(gè)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。在分布式系統(tǒng)中，常常需要協(xié)調(diào)他們的動(dòng)作。如果不同的系統(tǒng)或是同一個(gè)系統(tǒng)的不同主機(jī)之間共享了一個(gè)或一組資源，那么訪問這些資源的時(shí)候，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，便需要使用到分布式鎖。

我們來假設(shè)一個(gè)最簡(jiǎn)單的秒殺場(chǎng)景：數(shù)據(jù)庫里有一張表，column分別是商品ID，和商品ID對(duì)應(yīng)的庫存量，秒殺成功就將此商品庫存量-1?，F(xiàn)在假設(shè)有1000個(gè)線程來秒殺兩件商品，500個(gè)線程秒殺第一個(gè)商品，500個(gè)線程秒殺第二個(gè)商品。我們來根據(jù)這個(gè)簡(jiǎn)單的業(yè)務(wù)場(chǎng)景來解釋一下分布式鎖。
通常具有秒殺場(chǎng)景的業(yè)務(wù)系統(tǒng)都比較復(fù)雜，承載的業(yè)務(wù)量非常巨大，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。那么這1000個(gè)并發(fā)就會(huì)是從不同的地方過來，商品庫存就是共享的資源，也是這1000個(gè)并發(fā)爭(zhēng)搶的資源，這個(gè)時(shí)候我們需要將并發(fā)互斥管理起來。這就是分布式鎖的應(yīng)用。
而key-value存儲(chǔ)系統(tǒng)，如redis，因?yàn)槠湟恍┨匦?，是?shí)現(xiàn)分布式鎖的重要工具。

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，就設(shè)置key對(duì)應(yīng)字符串value。在這種情況下，該命令和SET一樣。當(dāng)key已經(jīng)存在時(shí)，就不做任何操作。SETNX是”SET if Not eXists”。
expire KEY seconds
設(shè)置key的過期時(shí)間。如果key已過期，將會(huì)被自動(dòng)刪除。
del KEY
刪除key
由于筆者的實(shí)現(xiàn)只用到這三個(gè)命令，就只介紹這三個(gè)命令，更多的命令以及redis的特性和使用，可以參考redis官網(wǎng)。

需要考慮的問題
1、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，直接調(diào)用jedis API即可。
2、怎么實(shí)現(xiàn)加鎖？“鎖”其實(shí)是一個(gè)抽象的概念，將這個(gè)抽象概念變?yōu)榫唧w的東西，就是一個(gè)存儲(chǔ)在redis里的key-value對(duì)，key是于商品ID相關(guān)的字符串來唯一標(biāo)識(shí)，value其實(shí)并不重要，因?yàn)橹灰@個(gè)唯一的key-value存在，就表示這個(gè)商品已經(jīng)上鎖。
3、如何釋放鎖？既然key-value對(duì)存在就表示上鎖，那么釋放鎖就自然是在redis里刪除key-value對(duì)。
4、阻塞還是非阻塞？筆者采用了阻塞式的實(shí)現(xiàn)，若線程發(fā)現(xiàn)已經(jīng)上鎖，會(huì)在特定時(shí)間內(nèi)輪詢鎖。
5、如何處理異常情況？比如一個(gè)線程把一個(gè)商品上了鎖，但是由于各種原因，沒有完成操作（在上面的業(yè)務(wù)場(chǎng)景里就是沒有將庫存-1寫入數(shù)據(jù)庫），自然沒有釋放鎖，這個(gè)情況筆者加入了鎖超時(shí)機(jī)制，利用redis的expire命令為key設(shè)置超時(shí)時(shí)長(zhǎng)，過了超時(shí)時(shí)間redis就會(huì)將這個(gè)key自動(dòng)刪除，即強(qiáng)制釋放鎖（可以認(rèn)為超時(shí)釋放鎖是一個(gè)異步操作，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(shí)時(shí)間即可）。

talk is cheap,show me the code
在代碼實(shí)現(xiàn)層面，注解有并發(fā)的方法和參數(shù)，通過動(dòng)態(tài)代理獲取注解的方法和參數(shù)，在代理中加鎖，執(zhí)行完被代理的方法后釋放鎖。

幾個(gè)注解定義：
cachelock是方法級(jí)的注解，用于注解會(huì)產(chǎn)生并發(fā)問題的方法:

@Target(ElementType.METHOD)@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
br/>@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface CacheLock {
String lockedPrefix() default "";//redis 鎖key的前綴
long timeOut() default 2000;//輪詢鎖的時(shí)間
int expireTime() default 1000;//key在redis里存在的時(shí)間，1000S
}
lockedObject是參數(shù)級(jí)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)
br/>@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface LockedObject {
//不需要值
}
LockedComplexObject也是參數(shù)級(jí)的注解，用于注解自定義類型的參數(shù)：

@Target(ElementType.PARAMETER)@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
br/>@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface LockedComplexObject {
String field() default "";//含有成員變量的復(fù)雜對(duì)象中需要加鎖的成員變量，如一個(gè)商品對(duì)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，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，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(gè)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，沒有被鎖定的對(duì)象");
    }

    if(null == annotations || annotations.length == 0){
        throw new CacheLockException("沒有被注解的參數(shù)");
    }
    //不支持多個(gè)參數(shù)加鎖，只支持第一個(gè)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L(zhǎng)ockedComplexObject
                index = i;
                try {
                    return args[i].getClass().getField(((LockedComplexObject)annotations[i][j]).field());
                } catch (NoSuchFieldException | SecurityException e) {
                    throw new CacheLockException("注解對(duì)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(gè)后直接break，不支持多參數(shù)加鎖
        if(index != -1){
            break;
        }
    }

    if(index == -1){
        throw new CacheLockException("請(qǐng)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(shí)間范圍內(nèi)輪詢鎖
• @param expire 設(shè)置鎖超時(shí)時(shí)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(shí)間范圍內(nèi)不斷輪詢鎖
  while (System.nanoTime() - nanoTime < timeout) {
  //鎖不存在的話，設(shè)置鎖并設(shè)置鎖過期時(shí)間，即加鎖
  if (this.redisClient.setnx(this.key, LOCKED) == 1) {
  this.redisClient.expire(key, expire);//設(shè)置鎖過期時(shí)間是為了在沒有釋放
  //鎖的情況下鎖過期后消失，不會(huì)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，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，現(xiàn)在來講解如何使用上面的簡(jiǎn)單框架來寫一個(gè)秒殺函數(shù)。
  先定義一個(gè)接口，接口里定義了一個(gè)秒殺方法：

public interface SeckillInterface {/**
*現(xiàn)在暫時(shí)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")
br/>/**
*現(xiàn)在暫時(shí)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")
}
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(jiǎn)單的秒殺，這里僅作為demo示例
    reduceInventory(arg2);
}
//模擬秒殺操作，姑且認(rèn)為一個(gè)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(chǎng)景，1000個(gè)線程來爭(zhēng)搶兩個(gè)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(gè)線程，秒殺第一個(gè)商品
    for(int i= 0;i < splitPoint;i++){
        threads[i] = new Thread(new  Runnable() {
            public void run() {
                try {
                    //等待在一個(gè)信號(hào)量上，掛起
                    beginCount.await();
                    //用動(dòng)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(gè)線程，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(gè)信號(hào)量上，掛起
                    beginCount.await();
                    //用動(dòng)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(hào)量，并等待結(jié)束信號(hào)量，這樣做保證1000個(gè)線程做到完全同時(shí)執(zhí)行，保證測(cè)試的正確性
    beginCount.countDown();

    try {
        //主線程等待結(jié)束信號(hào)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(gè)商品的庫存都減少了500，在多次試驗(yàn)后，實(shí)際情況符合預(yù)想。如果不采用鎖機(jī)制，會(huì)出現(xiàn)庫存減少499，498的情況。
這里采用了動(dòng)態(tài)代理的方法，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，采用動(dòng)態(tài)代理也是為了能夠?qū)㈡i操作代碼集中在代理中，便于維護(hù)。
通常秒殺場(chǎng)景發(fā)生在web項(xiàng)目中，可以考慮利用spring的AOP特性將鎖操作代碼置于切面中，當(dāng)然AOP本質(zhì)上也是動(dòng)態(tài)代理。

小結(jié)
這篇文章從業(yè)務(wù)場(chǎng)景出發(fā)，從抽象到實(shí)現(xiàn)闡述了如何利用redis實(shí)現(xiàn)分布式鎖，完成簡(jiǎn)單的秒殺功能，也記錄了筆者思考的過程，希望能給閱讀到本篇文章的人一些啟發(fā)。