Java分布式系统高并发解决方案小结

现今，我们无时无刻不在接触网站与接口服务，如果网站或接口服务的访问量非常大的话，那么我们就需要考虑相关的并发访问问题了，而并发问题是绝大部分的软件工程师头疼的问题，既然逃避不掉，那我们就坦然面对吧~今天就让我们一起来研究一下常见的并发和同步。

为了更好的理解并发和同步，我们需要先明白两个重要的概念：同步和异步

一、同步和异步的区别和联系

• 所谓同步，可以理解为在执行完一个函数或方法之后，一直等待系统返回值或消息，这时程序是出于阻塞的，只有接收到返回的值或消息后才往下执行其它的命令。同步在一定程度上可以看做是单线程，这个线程请求一个方法后就待这个方法给他回复，否则他不往下执行。

• 异步，执行完函数或方法后，不必阻塞性地等待返回值或消息，只需要向系统委托一个异步过程，那么当系统接收到返回值或消息时，系统会自动触发委托的异步过程，从而完成一个完整的流程。异步在一定程度上可以看做是多线程的，请求一个方法后，就不管了，继续执行其他的方法。

• 同步就是做完一件事情再做另一件事情。
  异步就是做一件事情，不引响做其他事情。

对于Java程序员而言，我们会经常听到同步关键字synchronized，假如这个同步的监视对象是类的话，那么如果当一个对象访问类里面的同步方法的话，那么其它的对象如果想要继续访问类里面的这个同步方法的话，就会进入阻塞，只有等前一个对象执行完该同步方法后当前对象才能够继续执行该方法。这就是同步。相反，如果方法前没有同步关键字修饰的话，那么不同的对象可以在同一时间访问同一个方法，这就是异步。

然后我们需要补充一下脏数据和不可重复读的相关概念

二、脏数据和不可重复读

• 脏数据
  脏读就是指当一个事务正在访问数据，并且对数据进行了修改，而这种修改还没有提交到数据库中，这时，另外一个事务也访问这个数据，然后使用了这
  个数据。因为这个数据是还没有提交的数据，那么另外一个事务读到的这个数据是脏数据(Dirty Data)，依据脏数据所做的操作可能是不正确的。

• 不可重复读
  不可重复读是指在一个事务内，多次读同一数据。在这个事务还没有结束时，另外一个事务也访问该同一数据。那么，在第一个事务中的两次读数据之间，由于第二个事务的修改，那么第一个事务两次读到的数据可能是不一样的。这样就发生了在一个事务内两次读到的数据是不一样的，因此称为是不可重复读

三、如何处理并发和同步

我们介绍的如何处理并发和同同步问题主要是通过锁机制来解决，锁机制有两个层面。

• 代码层次上的，如java中的同步锁，典型的就是同步关键字synchronized，这里不做过多的讲解，感兴趣的同学可自行咨询度娘，案例很多。
• 数据库层次上的，典型的就是悲观锁和乐观锁。

下面我们重点讲解的就是悲观锁（传统的物理锁）和乐观锁。

1、悲观锁(Pessimistic Locking):

悲观锁，正如其名，它指的是对数据被外界（包括本系统当前的其他事务，以及来自外部系统的事务处理）修改持保守态度，因此，在整个数据处理过程中，将数据处于锁定状态。

悲观锁的实现，往往依靠数据库提供的锁机制（也只有数据库层提供的锁机制才能 真正保证数据访问的排他性，否则，即使在本系统中实现了加锁机制，也无法保证外部系 统不会修改数据）。 一个典型的倚赖数据库的悲观锁调用：

select * from account where name=”Russell” for update

这条 sql 语句锁定了 account 表中所有符合检索条件（ name=”Russell” ）的记录。
本次事务提交之前（事务提交时会释放事务过程中的锁），外界无法修改这些记录。
Hibernate 的悲观锁，也是基于数据库的锁机制实现。下面的代码实现了对查询记录的加锁：

String hqlStr ="from TUser as user where user.name='Russell'";
Query query = session.createQuery(hqlStr);
query.setLockMode("user",LockMode.UPGRADE); // 加锁
List userList = query.list();// 执行查询，获取数据

query.setLockMode 对查询语句中，特定别名所对应的记录进行加锁（我们为 TUser 类指定了一个别名 “user” ），这里也就是对返回的所有 user 记录进行加锁。
观察运行期 Hibernate 生成的 SQL 语句：

select tuser0_.id as id, tuser0_.name as name, tuser0_.group_id
as group_id, tuser0_.user_type as user_type, tuser0_.sex as sex
from t_user tuser0_ where (tuser0_.name='Russell' ) for update

这里 Hibernate 通过使用数据库的 for update 子句实现了悲观锁机制。
Hibernate 的加锁模式有：

• LockMode.NONE ： 无锁机制。
• LockMode.WRITE ： Hibernate 在 Insert 和 Update 记录的时候会自动获取
• LockMode.READ ： Hibernate 在读取记录的时候会自动获取。

以上这三种锁机制一般由 Hibernate 内部使用，如 Hibernate 为了保证 Update过程中对象不会被外界修改，会在 save 方法实现中自动为目标对象加上 WRITE 锁。

• LockMode.UPGRADE ：利用数据库的 for update 子句加锁。
• LockMode. UPGRADE_NOWAIT ： Oracle 的特定实现，利用 Oracle 的 for
  update nowait 子句实现加锁。

上面这两种锁机制是我们在应用层较为常用的，加锁一般通过以下方法实现：

• Criteria.setLockMode
• Query.setLockMode
• Session.lock

注意，只有在查询开始之前（也就是 Hiberate 生成 SQL 之前）设定加锁，才会
真正通过数据库的锁机制进行加锁处理，否则，数据已经通过不包含 for update 子句的 Select SQL加载进来，所谓数据库加锁也就无从谈起。

2、乐观锁(Optimistic Locking):

相对悲观锁而言，乐观锁机制采取了更加宽松的加锁机制。悲观锁大多数情况下依 靠数据库的锁机制实现，以保证操作最大程度的独占性。但随之而来的就是数据库性能的大量开销，特别是对长事务而言，这样的开销往往无法承受。

比如一个金融系统，当某个操作员读取用户的数据，并在读出的用户数据的基础上进
行修改时（如更改用户帐户余额），如果采用悲观锁机制，也就意味着整个操作过
程中（从操作员读出数据、开始修改直至提交修改结果的全过程，甚至还包括操作
员中途去煮咖啡的时间），数据库记录始终处于加锁状态，可以想见，如果面对几 百上千个并发，这样的情况将导致怎样的后果。

乐观锁机制在一定程度上解决了这个问题，其大多是基于数据版本（Version）记录机制实现。何谓数据版本？即为数据增加一个版本标识，在基于数据库表的版本解决方案中，一般是通过为数据库表增加一个 “version” 字段来 实现。 读取出数据时，将此版本号一同读出，之后更新时，对此版本号加一。此时，将提 交数据的版本数据与数据库表对应记录的当前版本信息进行比对，如果提交的数据 版本号大于数据库表当前版本号，则予以更新，否则认为是过期数据。

以上面修改用户帐户信息为例子，假设数据库中帐户信息表中有一个 version 字段，当前值为 1 ；而当前帐户余额字段（ balance ）为 $100 。
step1、操作员 A 此时将其读出（ version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $50（ $100-$50 ）。
step2、在操作员 A 操作的过程中，操作员 B 也读入此用户信息（ version=1 ），并 从其帐户余额中扣除 $20 （ $100-$20 ）。
step3、操作员 A 完成了修改工作，将数据版本号加一（ version=2 ），连同帐户扣 除后余额（ balance=$50 ），提交至数据库更新，此时由于提交数据版本大 于数据库记录当前版本，数据被更新，数据库记录 version 更新为 2 。
step4、操作员 B 完成了操作，也将版本号加一（ version=2 ）试图向数据库提交数 据（ balance=$80 ），但此时比对数据库记录版本时发现，操作员 B 提交的 数据版本号为 2 ，数据库记录当前版本也为 2 ，不满足 “ 提交版本必须大于记 录当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略，因此，操作员 B 的提交被驳回。

这样，就避免了操作员 B 用基于version=1 的旧数据修改的结果覆盖操作 员 A 的操作结果的可能。 从上面的例子可以看出，乐观锁机制避免了长事务中的数据库加锁开销（操作员 A和操作员 B 操作过程中，都没有对数据库数据加锁），大大提升了大并发量下的系 统整体性能表现。

需要注意的是，乐观锁机制往往基于系统中的数据存储逻辑，因此也具备一定的局限性，如在上例中，由于乐观锁机制是在我们的系统中实现，来自外部系统的用户余额更新操作不受我们系统的控制，因此可能会造成脏数据被更新到数据库中。

在系统设计阶段，我们应该充分考虑到这些情况出现的可能性，并进行相应调整（如将乐观锁策略在数据库存储过程中实现，对外只开放基于此存储过程的数据更新途径，而不是将数据库表直接对外公开）。 Hibernate 在其数据访问引擎中内置了乐观锁实现。如果不用考虑外部系统对数据库的更新操作，利用 Hibernate 提供的透明化乐观锁实现，将大大提升我们的 生产力。

四、常见并发同步案例分析

案例一 - 订票系统

某航班只有一张机票，假定有1w个人打开你的网站来订票，问你如何解决并发问题(可扩展到任何高并发网站要考虑的并发读写问题)
问题，1w个人来访问，票没出去前要保证大家都能看到有票，不可能一个人在看到票的时候别人就不能看了。到底谁能抢到，那得看这个人的“运气”（网 络快慢等）
其次考虑的问题，并发，1w个人同时点击购买，到底谁能成交？总共只有一张票。

首先我们容易想到和并发相关的几个方案 ：
锁同步同步更多指的是应用程序的层面，多个线程进来，只能一个一个的访问，java中指的是syncrinized关键字。锁也有2个层面，一个是java中谈到的对象锁，用于线程同步；另外一个层面是数据库的锁；如果是分布式的系统，显然只能利用数据库端的锁来实现。

假定我们采用了同步机制或者数据库物理锁机制，如何保证1w个人还能同时看到有票，显然会牺牲性能，在高并发网站中是不可取的。

采用乐观锁即可解决此问题。乐观锁意思是不锁定表的情况下，利用业务的控制来解决并发问题，这样即保证数据的并发可读性又保证保存数据的排他性，保证性能的同时解决了并发带来的脏数据问题。

hibernate中如何实现乐观锁：
前提：在现有表当中增加一个冗余字段，version版本号, long类型
原理：

• 只有当前版本号>=数据库表版本号，才能提交
• 提交成功后，版本号version++

实现很简单，在ormapping增加一属性optimistic-lock="version"即可，比如你的mapping文件可能是这样的：

案例二 - 股票交易系统、银行系统，大数据量

首先，股票交易系统的行情表，每几秒钟就有一个行情记录产生，一天下来就有（假定行情3秒一个） 股票数量×20×60*6 条记录，一月下来这个表记录数量多大？ oracle中一张表的记录数超过100w后 查询性能就很差了，如何保证系统性能？

再比如，中国移动有上亿的用户量，表如何设计？把所有用于存在于一个表么？
所以，大数量的系统，必须考虑表拆分-（表名字不一样，但是结构完全一样），通用的几种方式：（视情况而定）

• 按业务分，比如 手机号的表，我们可以考虑 130开头的作为一个表，131开头的另外一张表 以此类推

• 利用oracle的表拆分机制做分表

• 如果是交易系统，我们可以考虑按时间轴拆分，当日数据一个表，历史数据弄到其它表。这里历史数据的报表和查询不会影响当日交易。

当然，表拆分后我们的应用得做相应的适配。单纯的or-mapping也许就得改动了。比如部分业务得通过存储过程等。

此外，我们还得考虑缓存。这里的缓存，指的不仅仅是hibernate，hibernate本身提供了一级二级缓存。这里的缓存独立于应用，依然是内存的读取，假如我们能减少数据库频繁的访问，那对系统肯定大大有利的。比如一个电子商务系统的商品搜索，如果某个关键字的商品经常被搜，那就可以考虑这部分商品列表存放到缓存（内存中去），这样不用每次访问数据库，性能大大增加。

简单的缓存大家可以理解为自己做一个hashmap，把常访问的数据做一个key，value是第一次从数据库搜索出来的值，下次访问就可以从map里读取，而不读数据库；专业些的目前有独立的缓存框架比如redis、memcached 等，可独立部署成一个缓存服务器。

案例三 - 抢购秒杀解决方案

之前我将高并发的解决方法误认为是线程或者是队列可以解决，因为高并发的时候是有很多用户在访问，导致出现系统数据不正确、丢失数据现象，所以想到的是用队列解决。
其实队列解决的方式也可以处理，比如我们在竞拍商品、转发评论微博或者是秒杀商品等，同一时间访问量特别大，队列在此起到特别的作用，将所有请求放入队列，以毫秒计时单位，有序的进行，从而不会出现数据丢失系统数据不正确的情况。

五、高并发下提高访问效率的常见手段

首先我们要了解高并发的的瓶颈在哪里？

• 服务器网络带宽不够（增加网络带宽）
• web线程连接数不够（DNS域名解析分发多台服务器，负载均衡，前置代理服务器nginx、apache等等）
• 数据库连接查询瓶颈（数据库查询优化，读写分离，分表等等）

然后我们介绍一些在高并发下面需要常常需要处理的内容

• 尽量使用缓存，包括用户缓存，信息缓存等，多花点内存来做缓存，可以大量减少与数据库的交互，提高性能。
• 用jprofiler等工具找出性能瓶颈，减少额外的开销。
• 优化数据库查询语句，减少直接使用hibernate等工具的直接生成语句（仅耗时较长的查询做优化）。
• 优化数据库结构，多做索引，提高查询效率。
• 统计的功能尽量做缓存，或按每天一统计或定时统计相关报表，避免需要时进行统计的功能。
• 能使用静态页面的地方尽量使用，减少容器的解析（尽量将动态内容生成静态html来显示）。
• 不要频繁的new对象,对于在整个应用中只需要存在一个实例的类推荐使用单例模式；对于String的连接操作,使用StringBuffer或者StringBuilder；对于utility类型的类通过静态方法来访问。
• 避免使用错误/异常的方式，如Exception可以控制方法推出，但是Exception要保留stacktrace消耗性能，除非必要；不要使用 instanceof做条件判断,尽量使用比的条件判断方式；使用JAVA中效率高的类，比如ArrayList比Vector性能好。
• 出现超时的情况，一般说明并发数量已经超过了数据库所能处理的极限，数据库无限等待导致超时，此时，建议采用线程池的方案，支付宝的单号就是用的线程池的方案进行的。数据库 update 不是一次加1，而是一次加几百甚至上千，然后取到的这 1000个序号，放在线程池里慢慢分配即可，能应付任意大的并发，同时保证数据库没任何压力。

解决以上问题后，使用服务器集群来解决单台的瓶颈问题。