基于数据库实现乐观锁

水深无声 2023-10-10 20:16 54阅读 0赞

### 基于数据库实现乐观锁 ###

*  一 乐观锁与悲观锁介绍
 *  二 乐观锁实践案例
 *   *  2.1 库存超卖问题复现
     *   *  2.1.1 模拟秒杀下单分析
         *  2.1.2秒杀代码
         *  2.1.3单元测试结果
     *  2.2 库存超卖问题分析
     *  2.3 乐观锁解决超卖问题
     *   *  2.3.1版本号方式
 *  案例源码
 *  案例中sql脚本

# 一 乐观锁与悲观锁介绍 #

![在这里插入图片描述][69beded237424167a0bf7c24eebfba66.png]

**悲观锁：**

悲观锁可以实现对于数据的串行化执行，比如syn，和lock都是悲观锁的代表，同时，悲观锁中又可以再细分为公平锁，非公平锁，可重入锁，等等

**乐观锁：**

乐观锁一般会使用版本号机制或 CAS 算法实现，CAS 算法相对来说更多一些，这里需要格外注意。

*  版本号机制

> 一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段，表示数据被修改的次数。当数据被修改时，version 值会加一。当线程 A 要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取 version 值，在提交更新时，若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

*  CAS 算法

> 乐观锁的典型代表：就是cas，利用cas进行无锁化机制加锁，var5 是操作前读取的内存值，while中的var1+var2 是预估值，如果预估值 == 内存值，则代表中间没有被人修改过，此时就将新值去替换 内存值 其中do while 是为了在操作失败时，再次进行自旋操作，即把之前的逻辑再操作一次。

int var5;
    do {
        
       var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
    return var5;

[基于数据库方式和Redis方法实现乐观锁][Redis]  
[乐观锁与悲观锁][Link 1]

# 二 乐观锁实践案例 #

## 2.1 库存超卖问题复现 ##

### 2.1.1 模拟秒杀下单分析 ###

秒杀下单应该思考的内容：

下单时需要判断两点：

*  秒杀是否开始或结束，如果尚未开始或已经结束则无法下单
 *  库存是否充足，不足则无法下单

下单核心逻辑分析：

当用户开始进行下单，我们应当去查询优惠卷信息，查询到优惠卷信息，判断是否满足秒杀条件

比如时间是否充足，如果时间充足，则进一步判断库存是否足够，如果两者都满足，则扣减库存，创建订单，然后返回订单id，如果有一个条件不满足则直接结束。  
![在这里插入图片描述][9d1aa9f21d7a4a7cb1c810db686ce17d.png]

### 2.1.2秒杀代码 ###

@Override
        public Result seckillVoucher(Long voucherId) {
        
            // 1.查询优惠券
            SeckillVoucher voucher = seckillVoucherService.getById(voucherId);
            // 2.判断秒杀是否开始
            if (voucher.getBeginTime().isAfter(LocalDateTime.now())) {
        
                // 尚未开始
                return Result.fail("秒杀尚未开始！");
            }
            // 3.判断秒杀是否已经结束
            if (voucher.getEndTime().isBefore(LocalDateTime.now())) {
        
                // 尚未开始
                return Result.fail("秒杀已经结束！");
            }
            // 4.判断库存是否充足
            if (voucher.getStock() < 1) {
        
                // 库存不足
                return Result.fail("库存不足！");
            }
            //5，扣减库存
            boolean success = seckillVoucherService.update()
                    .setSql("stock= stock -1")
                    .eq("voucher_id", voucherId).update();
            if (!success) {
        
                //扣减库存
                return Result.fail("库存不足！");
            }
            //6.创建订单
            VoucherOrder voucherOrder = new VoucherOrder();
            // 6.1.订单id
            Random ra =new Random();
            long orderId = ra.nextLong();
            voucherOrder.setId(orderId);
            // 6.2.用户id
            Long userId =  ra.nextLong();
            voucherOrder.setUserId(userId);
            // 6.3.代金券id
            voucherOrder.setVoucherId(voucherId);
            save(voucherOrder);
    
            return Result.ok(orderId);
    
        }

### 2.1.3单元测试结果 ###

@SpringBootTest
    class LockApplicationTests {
        
    
        //实际项目中应使用自定义的线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(100);
        @Autowired
        private IVoucherOrderService voucherOrderService;
    
    
        @Test
        void testIdWorker() throws InterruptedException {
        
    
            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(100);
    
            Runnable task = new Runnable() {
        
                @Override
                public void run() {
        
                    Result result = voucherOrderService.seckillVoucher(2L);
                    System.out.println("result = " + result);
                latch.countDown();
                }
            } ;
            long begin = System.currentTimeMillis();
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
        
                threadPool.execute(task);
            }
            latch.await();
            long end = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("time = " + (end - begin));
        }
    }

观察ideal控制台  
![在这里插入图片描述][3d7ac2e077894310a1db08c242ba48d2.png]

观察表中数据

![在这里插入图片描述][3df443ce097c4469a3b061013ab8bf56.png]

## 2.2 库存超卖问题分析 ##

有关超卖问题分析：在我们原有代码中是这么写的

if (voucher.getStock() < 1) {
        
            // 库存不足
            return Result.fail("库存不足！");
        }
        //5，扣减库存
        boolean success = seckillVoucherService.update()
                .setSql("stock= stock -1")
                .eq("voucher_id", voucherId).update();
        if (!success) {
        
            //扣减库存
            return Result.fail("库存不足！");
        }

假设线程1过来查询库存，判断出来库存大于1，正准备去扣减库存，但是还没有来得及去扣减，此时线程2过来，线程2也去查询库存，发现这个数量一定也大于1，那么这两个线程都会去扣减库存，最终多个线程相当于一起去扣减库存，此时就会出现库存的超卖问题。  
![在这里插入图片描述][518c65c9e5f445a5a10ad5d1199b92df.png]

## 2.3 乐观锁解决超卖问题 ##

高并发情况下使用悲观锁来解决线程安全问题，有些太重了，咔嚓一下整个业务锁住，只能抢到锁的线程独享，其他线程只能等待，这明显有些霸道了；使用乐观锁的方式，在更新数据时去判断有没有其他线程对数据做修改，不影响高并发情况下的效率；

### 2.3.1版本号方式 ###

操作逻辑是在操作时，对版本号进行+1 操作，然后要求version 如果是1 的情况下，才能操作，那么第一个线程在操作后，数据库中的version变成了2，但是他自己满足version=1 ，所以没有问题，此时线程2执行，线程2 最后也需要加上条件version =1 ，但是现在由于线程1已经操作过了，所以线程2，操作时就不满足version=1 的条件了，所以线程2无法执行成功  
![在这里插入图片描述][a59e1b85ca164b2684ff7cb047390dd6.png]  
由于我们案例中的场景是减库存，方案有些特殊，正好可以用库存字段stock来代替这个版本号；在进行更新的时候，添加条件判断：查询到的版本号和表中的版本号进行比较，相等则更新成功，不等则更新失败

**修改代码方案一、**

VoucherOrderServiceImpl 在扣减库存时，改为：

boolean success = seckillVoucherService.update()
                .setSql("stock= stock -1") //set stock = stock -1
                .eq("voucher_id", voucherId).eq("stock",voucher.getStock()).update(); //where id = ？ and stock = ?

以上逻辑的核心含义是：只要我扣减库存时的库存和之前我查询到的库存是一样的，就意味着没有人在中间修改过库存，那么此时就是安全的，但是以上这种方式通过测试发现会有很多失败的情况，失败的原因在于：在使用乐观锁过程中假设100个线程同时都拿到了100的库存，然后大家一起去进行扣减，但是100个人中只有1个人能扣减成功，其他的人在处理时，他们在扣减时，库存已经被修改过了，所以此时其他线程都会失败；

![在这里插入图片描述][fcd0e705ddfc4fbcb722af80a01f45d9.png]  
在其他场景了使用版本号方案成功率低完全没问题；但是这是秒杀场景，出现成功率太低有点不太符合业务要求；

**修改代码方案二、**

之前的方式要修改前后都保持一致，但是这样我们分析过，成功的概率太低，所以我们的乐观锁需要变一下，改成stock大于0 即可

boolean success = seckillVoucherService.update()
                    .setSql("stock= stock -1")
                    .eq("voucher_id", voucherId).gt("stock", 0).update(); //where id = ? and stock > 0

![在这里插入图片描述][093b0b439d3147c598c39b8ddfd39370.png]  
库存卖完之后，其他线程再来秒杀就会返回库存不足提示！  
![在这里插入图片描述][105c44e93be94e2794663f8b35130503.png]  
**知识小扩展：**

针对cas中的自旋压力过大，我们可以使用Longaddr这个类去解决

Java8 提供的一个对AtomicLong改进后的一个类，LongAdder

大量线程并发更新一个原子性的时候，天然的问题就是自旋，会导致并发性问题，当然这也比我们直接使用syn来的好

所以利用这么一个类，LongAdder来进行优化

如果获取某个值，则会对cell和base的值进行递增，最后返回一个完整的值  
**知识小扩展：**

针对cas中的自旋压力过大，我们可以使用LongAdder这个类去解决Java8 提供的一个对AtomicLong改进后的一个类，LongAdder大量线程并发更新一个原子性的时候，天然的问题就是自旋，会导致并发性问题，当然这也比我们直接使用syn来的好  
所以利用这么一个类，LongAdder来进行优化  
如果获取某个值，则会对cell和base的值进行递增，最后返回一个完整的值  
![在这里插入图片描述][1b1dd31be9814be394fdd0f1cc892098.png]  
[LongAdder原理浅析][LongAdder]

# 案例源码 #

[案例源码][Link 2]

# 案例中sql脚本 #

tb\_voucher\_order：订单表  
tb\_seckill\_voucher：优惠券的库存、开始抢购时间，结束抢购时间。

*  tb\_seckill\_voucher

DROP TABLE IF EXISTS `tb_seckill_voucher`;
    CREATE TABLE `tb_seckill_voucher`  (
      `voucher_id` bigint(20) UNSIGNED NOT NULL COMMENT '关联的优惠券的id',
      `stock` int(8) NOT NULL COMMENT '库存',
      `create_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',
      `update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '更新时间',
      `begin_time` datetime NOT NULL COMMENT '生效时间',
      `end_time` datetime NOT NULL COMMENT '失效时间',
      PRIMARY KEY (`voucher_id`) USING BTREE
    ) ENGINE = InnoDB CHARACTER SET = utf8mb4 COLLATE = utf8mb4_general_ci COMMENT = '秒杀优惠券表，与优惠券是一对一关系' ROW_FORMAT = COMPACT;
    
    -- ----------------------------
    -- Records of tb_seckill_voucher
    -- ----------------------------
    INSERT INTO `tb_seckill_voucher` VALUES (2, 100, '2022-01-04 10:09:17', '2023-05-23 03:07:53', '2023-05-23 09:09:04', '2023-05-31 10:09:17');
    
    SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 1;

*  tb\_voucher\_order

DROP TABLE IF EXISTS `tb_voucher_order`;
    CREATE TABLE `tb_voucher_order`  (
      `id` bigint(20) NOT NULL COMMENT '主键',
      `user_id` bigint(20) UNSIGNED NOT NULL COMMENT '下单的用户id',
      `voucher_id` bigint(20) UNSIGNED NOT NULL COMMENT '购买的代金券id',
      `pay_type` tinyint(1) UNSIGNED ZEROFILL NULL DEFAULT NULL COMMENT '支付方式 1：余额支付；2：支付宝；3：微信',
      `status` tinyint(1) UNSIGNED NULL DEFAULT 1 COMMENT '订单状态，1：未支付；2：已支付；3：已核销；4：已取消；5：退款中；6：已退款',
      `create_time` timestamp NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '下单时间',
      `pay_time` timestamp NULL DEFAULT NULL COMMENT '支付时间',
      `use_time` timestamp NULL DEFAULT NULL COMMENT '核销时间',
      `refund_time` timestamp NULL DEFAULT NULL COMMENT '退款时间',
      `update_time` timestamp NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '更新时间',
      PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE
    ) ENGINE = InnoDB CHARACTER SET = utf8mb4 COLLATE = utf8mb4_general_ci ROW_FORMAT = COMPACT;
    
    -- ----------------------------
    -- Records of tb_voucher_order
    -- ----------------------------
    
    SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 1;

[69beded237424167a0bf7c24eebfba66.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/69beded237424167a0bf7c24eebfba66.png
[Redis]: https://blog.csdn.net/qq_43750656/article/details/109953698
[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_34337272/article/details/81072874
[9d1aa9f21d7a4a7cb1c810db686ce17d.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/9d1aa9f21d7a4a7cb1c810db686ce17d.png
[3d7ac2e077894310a1db08c242ba48d2.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/3d7ac2e077894310a1db08c242ba48d2.png
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[1b1dd31be9814be394fdd0f1cc892098.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/1b1dd31be9814be394fdd0f1cc892098.png
[LongAdder]: https://blog.csdn.net/liulianglin/article/details/126361550
[Link 2]: https://gitee.com/wl8888/optimistic-lock.git