高并發(fā)場景下鎖的使用技巧

如何確保一個(gè)方法，或者一塊代碼在高并發(fā)情況下，同一時(shí)間只能被一個(gè)線程執(zhí)行，單體應(yīng)用可以使用并發(fā)處理相關(guān)的 API
進(jìn)行控制，但單體應(yīng)用架構(gòu)演變?yōu)榉植际轿⒎?wù)架構(gòu)后，跨進(jìn)程的實(shí)例部署，顯然就沒辦法通過應(yīng)用層鎖的機(jī)制來控制并發(fā)了。那么鎖都有哪些類型，為什么要使用鎖，鎖的使用場景有哪些？今天我們來聊一聊高并發(fā)場景下鎖的使用技巧。

鎖類別

　　不同的應(yīng)用場景對(duì)鎖的要求各不相同，我們先來看下鎖都有哪些類別，這些鎖之間有什么區(qū)別。

* 悲觀鎖(synchronize)
* Java 中的重量級(jí)鎖 synchronize
* 數(shù)據(jù)庫行鎖
* 樂觀鎖
* Java 中的輕量級(jí)鎖 volatile 和 CAS
* 數(shù)據(jù)庫版本號(hào)
* 分布式鎖(Redis鎖)
樂觀鎖


　　就好比說是你是一個(gè)生活態(tài)度樂觀積極向上的人，總是往最好的情況去想，比如你每次去獲取共享數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)認(rèn)為別人不會(huì)修改，所以不會(huì)上鎖，但是在更新的時(shí)候你會(huì)判斷這期間有沒有人去更新這個(gè)數(shù)據(jù)。

　　樂觀鎖使用在前，判斷在后。我們看下偽代碼：
reduce() { select total_amount from table_1 if(total_amount < amount ){ return
failed. }//其他業(yè)務(wù)邏輯 update total_amount = total_amount - amount where
total_amount > amount;
}
* 數(shù)據(jù)庫的版本號(hào)屬于樂觀鎖；
* 通過CAS算法實(shí)現(xiàn)的類屬于樂觀鎖。
悲觀鎖


　　悲觀鎖是怎么理解呢？相對(duì)樂觀鎖剛好反過來，總是假設(shè)最壞的情況，假設(shè)你每次拿數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)被其他人修改，所以你在每次共享數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)對(duì)他加一把鎖，等你使用完了再釋放鎖，再給別人使用數(shù)據(jù)。

　　悲觀鎖判斷在前，使用在后。我們也看下偽代碼：
reduce() { //其他業(yè)務(wù)邏輯 int num = update total_amount = total_amount - amount where
total_amount > amount; 　　 if(num ==1 ){ //業(yè)務(wù)邏輯. } }
* Java中的的synchronize是重量級(jí)鎖 ，屬于悲觀鎖；
* 數(shù)據(jù)庫行鎖屬于悲觀鎖；
扣減操作案例


　　這里舉一個(gè)非常常見的例子，在高并發(fā)情況下余額扣減，或者類似商品庫存扣減，也可以是資金賬戶的余額扣減?？蹨p操作會(huì)發(fā)生什么問題呢？很容易可以看到，可能會(huì)發(fā)生的問題是
扣減導(dǎo)致的超賣，也就是扣減成了負(fù)數(shù)。


　　舉個(gè)例子，比如我的庫存數(shù)據(jù)只有100個(gè)。并發(fā)情況下第1筆請(qǐng)求賣出100個(gè)，第2批賣出100元，導(dǎo)致當(dāng)前的庫存數(shù)量為負(fù)數(shù)。遇到這種場景應(yīng)該如何破解呢？這里列舉四種方案。

方案1：同步排它鎖

　　這時(shí)候很容易想到最簡單的方案：同步排它鎖(synchronize)。但是排他鎖的缺點(diǎn)很明顯：

* 其中一個(gè)缺點(diǎn)是，線程串行導(dǎo)致的性能問題，性能消耗比較大。
* 另一個(gè)缺點(diǎn)是無法解決分布式部署情況下跨進(jìn)程問題；
方案2：數(shù)據(jù)庫行鎖

　　第二我們可能會(huì)想到，那用數(shù)據(jù)庫行鎖來鎖住這條數(shù)據(jù)，這種方案相比排它鎖解決了跨進(jìn)程的問題，但是依然有缺點(diǎn)。

* 其中一個(gè)缺點(diǎn)就是性能問題，在數(shù)據(jù)庫層面會(huì)一直阻塞，直到事務(wù)提交，這里也是串行執(zhí)行；
* 第二個(gè)需要注意設(shè)置事務(wù)的隔離級(jí)別是Read Committed，否則并發(fā)情況下，另外的事務(wù)無法看到提交的數(shù)據(jù)，依然會(huì)導(dǎo)致超賣問題；
* 缺點(diǎn)三是容易打滿數(shù)據(jù)庫連接，如果事務(wù)中有第三方接口交互(存在超時(shí)的可能性)，會(huì)導(dǎo)致這個(gè)事務(wù)的連接一直阻塞，打滿數(shù)據(jù)庫連接。
* 最后一個(gè)缺點(diǎn)，容易產(chǎn)生交叉死鎖，如果多個(gè)業(yè)務(wù)的加鎖控制不好，就會(huì)發(fā)生AB兩條記錄的交叉死鎖。
方案3：redis分布式鎖


　　前面的方案本質(zhì)上是把數(shù)據(jù)庫當(dāng)作分布式鎖來使用，所以同樣的道理，redis，zookeeper都相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫的一種鎖，其實(shí)當(dāng)遇到加鎖問題，代碼本身無論是synchronize或者各種lock使用起來都比較復(fù)雜，所以思路是把代碼處理一致性的問難題交給一個(gè)能夠幫助你處理一致性的問題的專業(yè)組件，比如數(shù)據(jù)庫，比如redis，比如zookeeper等。

　　這里我們分析下分布式鎖的優(yōu)缺點(diǎn)：

* 優(yōu)點(diǎn)：
* 可以避免大量對(duì)數(shù)據(jù)庫排他鎖的征用，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力；
* 缺點(diǎn)：
* 設(shè)置鎖和設(shè)置超時(shí)時(shí)間的原子性；
* 不設(shè)置超時(shí)時(shí)間的缺點(diǎn)；
* 服務(wù)宕機(jī)或線程阻塞超時(shí)的情況；
* 超時(shí)時(shí)間設(shè)置不合理的情況；
加鎖和過期設(shè)置的原子性


　　redis加鎖的命令setnx，設(shè)置鎖的過期時(shí)間是expire，解鎖的命令是del，但是2.6.12之前的版本中，加鎖和設(shè)置鎖過期命令是兩個(gè)操作，不具備原子性。如果setnx設(shè)置完key-value之后，還沒有來得及使用expire來設(shè)置過期時(shí)間，當(dāng)前線程掛掉了或者線程阻塞，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前線程設(shè)置的key一直有效，后續(xù)的線程無法正常使用setnx獲取鎖，導(dǎo)致死鎖。

　　針對(duì)這個(gè)問題，redis2.6.12以上的版本增加了可選的參數(shù)，可以在加鎖的同時(shí)設(shè)置key的過期時(shí)間，保證了加鎖和過期操作原子性的。


　　但是，即使解決了原子性的問題，業(yè)務(wù)上同樣會(huì)遇到一些極端的問題，比如分布式環(huán)境下，A獲取到了鎖之后，因?yàn)榫€程A的業(yè)務(wù)代碼耗時(shí)過長，導(dǎo)致鎖的超時(shí)時(shí)間，鎖自動(dòng)失效。后續(xù)線程B就意外的持有了鎖，之后線程A再次恢復(fù)執(zhí)行，直接用del命令釋放鎖，這樣就錯(cuò)誤的將線程B同樣Key的鎖誤刪除了。代碼耗時(shí)過長還是比較常見的場景，假如你的代碼中有外部通訊接口調(diào)用，就容易產(chǎn)生這樣的場景。

設(shè)置合理的時(shí)長


　　剛才講到的線程超時(shí)阻塞的情況，那么如果不設(shè)置時(shí)長呢，當(dāng)然也不行，如果線程持有鎖的過程中突然服務(wù)宕機(jī)了，這樣鎖就永遠(yuǎn)無法失效了。同樣的也存在鎖超時(shí)時(shí)間設(shè)置是否合理的問題，如果設(shè)置所持有時(shí)間過長會(huì)影響性能，如果設(shè)置時(shí)間過短，有可能業(yè)務(wù)阻塞沒有處理完成，是否可以合理的設(shè)置鎖的時(shí)間?

續(xù)命鎖


　　這是一個(gè)很不容易解決的問題，不過有一個(gè)辦法能解決這個(gè)問題，那就是續(xù)命鎖，我們可以先給鎖設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間，然后啟動(dòng)一個(gè)守護(hù)線程，讓守護(hù)線程在一段時(shí)間之后重新去設(shè)置這個(gè)鎖的超時(shí)時(shí)間，續(xù)命鎖的實(shí)現(xiàn)過程就是寫一個(gè)守護(hù)線程，然后去判斷對(duì)象鎖的情況，快失效的時(shí)候，再次進(jìn)行重新加鎖，但是一定要判斷鎖的對(duì)象是同一個(gè)，不能亂續(xù)。


　　同樣，主線程業(yè)務(wù)執(zhí)行完了，守護(hù)線程也需要銷毀，避免資源浪費(fèi)，使用續(xù)命鎖的方案相對(duì)比較而言更復(fù)雜，所以如果業(yè)務(wù)比較簡單，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比，合理的設(shè)置鎖的超時(shí)時(shí)間就行。

方案4：數(shù)據(jù)庫樂觀鎖

　　數(shù)據(jù)庫樂觀鎖加鎖的一個(gè)原則就是盡量想辦法減少鎖的范圍。鎖的范圍越大，性能越差，數(shù)據(jù)庫的鎖就是把鎖的范圍減小到了最小。我們看下面的偽代碼
reduce() { select total_amount from table_1 if(total_amount < amount ){ return
failed. }//其他業(yè)務(wù)邏輯 update total_amount = total_amount - amount; }
?　　我們可以看到修改前的代碼是沒有where條件的。修改后，再加where條件判斷：總庫存大于將被扣減的庫存。
update total_amount = total_amount - amount where total_amount > amount
　　如果更新條數(shù)返回0，說明在執(zhí)行過程中被其他線程搶先執(zhí)行扣減，并且避免了扣減為負(fù)數(shù)。

　　但是這種方案還會(huì)涉及一個(gè)問題，如果在之前的update代碼中，以及其他的業(yè)務(wù)邏輯中還有一些其他的數(shù)據(jù)庫寫操作的話，那這部分?jǐn)?shù)據(jù)如何回滾呢？

　　我的建議是這樣的，你可以選擇下面這兩種寫法：

* 利用事務(wù)回滾寫法：
　　我們先給業(yè)務(wù)方法增加事務(wù)，方法在扣減庫存影響條數(shù)為零的時(shí)候扔出一個(gè)異常，這樣對(duì)他之前的業(yè)務(wù)代碼也會(huì)回滾。
reduce() { select total_amount from table_1 if(total_amount < amount ){ return
failed. }//其他業(yè)務(wù)邏輯 int num = update total_amount = total_amount - amount where
total_amount > amount;
　　if(num==0) throw Exception;
}
* 第二種寫法 reduce() { //其他業(yè)務(wù)邏輯 int num = update total_amount = total_amount -
amountwhere total_amount > amount;
　　 if(num ==1 ){ //業(yè)務(wù)邏輯. } else{
　　　　throw Exception;
　　} }

　　首先執(zhí)行update業(yè)務(wù)邏輯，如果執(zhí)行成功了再去執(zhí)行邏輯操作，這種方案是我相對(duì)比較建議的方案。在并發(fā)情況下對(duì)共享資源扣減操作可以使用這種方法，但是這里需要引出一個(gè)問題，比如說萬一其他業(yè)務(wù)邏輯中的業(yè)務(wù)，因?yàn)樘厥庠蚴×嗽撛趺崔k呢？比如說在扣減過程中服務(wù)OOM了怎么辦？


　　我只能說這些非常極端的情況，比如突然宕機(jī)中間數(shù)據(jù)都丟了，這種極少數(shù)的情況下只能人工介入，如果所有的極端情況都考慮到，也不現(xiàn)實(shí)。我們討論的重點(diǎn)是并發(fā)情況下，共享資源的操作如何加鎖的問題。

總結(jié)


　　最后我來給你總結(jié)一下，如果你可以非常熟練的解決這類問題，第一時(shí)間肯定想到的是：數(shù)據(jù)庫版本號(hào)解決方案或者分布式鎖的解決方案；但是如果你是一個(gè)初學(xué)者，相信你一定會(huì)第一時(shí)間考慮到Java中提供的同步鎖或者數(shù)據(jù)庫行鎖。


　　今天討論的目的就是希望把這幾種場景中的鎖放到一個(gè)具體的場景中，逐步去對(duì)比和分析，讓你能夠更加全面體系的了解使用鎖這個(gè)問題的來龍去脈。我是張飛洪，希望我的分享可以幫助到你。

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