業(yè)務(wù)場景

所謂秒殺，從業(yè)務(wù)角度看，是短時間內(nèi)多個用戶“爭搶”資源，這里的資源在大部分秒殺場景里是商品；將業(yè)務(wù)抽象，技術(shù)角度看，秒殺就是多個線程對資源進行操作，所以實現(xiàn)秒殺，就必須控制線程對資源的爭搶，既要保證高效并發(fā)，也要保證操作的正確。

一些可能的實現(xiàn)

剛才提到過，實現(xiàn)秒殺的關(guān)鍵點是控制線程對資源的爭搶，根據(jù)基本的線程知識，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)該就是一個方法，在這個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。那么最簡單直接的實現(xiàn)就是在這個方法上加上synchronized關(guān)鍵字，通俗的講就是鎖住整個方法；

2、鎖住整個方法這個策略簡單方便，但是似乎有點粗暴。可以稍微優(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隊列管理起來，使之變成串行操作，自然不會有并發(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，如果兩個線程同時執(zhí)行秒殺方法，這兩個線程操作的是不同的商品,從業(yè)務(wù)上講應(yīng)該是可以同時進行的，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，這其實是不必要的。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的粒度上呢？可以考慮為每個商品設(shè)置一個互斥鎖，以和商品ID相關(guān)的字符串為唯一標識，這樣就可以做到只有爭搶同一件商品的線程互斥，不會導(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)他們的動作。如果不同的系統(tǒng)或是同一個系統(tǒng)的不同主機之間共享了一個或一組資源，那么訪問這些資源的時候，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，和商品ID對應(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個線程來秒殺兩件商品，500個線程秒殺第一個商品，500個線程秒殺第二個商品。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，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)來均衡負載。那么這1000個并發(fā)就會是從不同的地方過來，商品庫存就是共享的資源，也是這1000個并發(fā)爭搶的資源，這個時候我們需要將并發(fā)互斥管理起來。這就是分布式鎖的應(yīng)用。

而key-value存儲系統(tǒng)，如redis，因為其一些特性，是實現(xiàn)分布式鎖的重要工具。

具體的實現(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，就不做任何操作。SETNX是”SET if Not eXists”。

expire KEY seconds 

設(shè)置key的過期時間。如果key已過期，將會被自動刪除。

del KEY 

刪除key
由于筆者的實現(xiàn)只用到這三個命令，就只介紹這三個命令，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、怎么實現(xiàn)加鎖？“鎖”其實是一個抽象的概念，將這個抽象概念變?yōu)榫唧w的東西，就是一個存儲在redis里的key-value對，key是于商品ID相關(guān)的字符串來唯一標識，value其實并不重要，因為只要這個唯一的key-value存在，就表示這個商品已經(jīng)上鎖。

3、如何釋放鎖？既然key-value對存在就表示上鎖，那么釋放鎖就自然是在redis里刪除key-value對。

4、阻塞還是非阻塞？筆者采用了阻塞式的實現(xiàn)，若線程發(fā)現(xiàn)已經(jīng)上鎖，會在特定時間內(nèi)輪詢鎖。

5、如何處理異常情況？比如一個線程把一個商品上了鎖，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，這個情況筆者加入了鎖超時機制，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，即強制釋放鎖（可以認為超時釋放鎖是一個異步操作，由redis完成，應(yīng)用程序只需要根據(jù)系統(tǒng)特點設(shè)置超時時間即可）。

talk is cheap, show me the code
在代碼實現(xiàn)層面，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)，在代理中加鎖，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，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，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，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，如一個商品對象的商品ID
 
}

CacheLockInterceptor實現(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，只支持第一個注解為lockedObject或者lockedComplexObject的參數(shù)
       int index = -1;//標記參數(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，設(shè)置鎖并設(shè)置鎖過期時間，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，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單框架來寫一個秒殺函數(shù)。

先定義一個接口，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，參數(shù)是用戶ID和商品ID?？赡苡卸鄠€線程爭搶一個商品，所以商品ID加上LockedObject注解
}
上述SeckillInterface接口的實現(xiàn)類，即秒殺的具體實現(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，這里僅作為demo示例
       reduceInventory(arg2);
   }
   //模擬秒殺操作，姑且認為一個秒殺就是將庫存減一，實際情景要復(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，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，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，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，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，這樣做保證1000個線程做到完全同時執(zhí)行，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，在多次試驗后，實際情況符合預(yù)想。如果不采用鎖機制，會出現(xiàn)庫存減少499，498的情況。

這里采用了動態(tài)代理的方法，利用注解和反射機制得到分布式鎖ID，進行加鎖和釋放鎖操作。當(dāng)然也可以直接在方法進行這些操作，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，便于維護。

通常秒殺場景發(fā)生在web項目中，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)上也是動態(tài)代理。

小結(jié)

這篇文章從業(yè)務(wù)場景出發(fā)，從抽象到實現(xiàn)闡述了如何利用redis實現(xiàn)分布式鎖，完成簡單的秒殺功能，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)。

源碼：https://github.com/lsfire/redisframework

https://blog.csdn.net/huangpeigui/java/article/details/90611454