高并发使用JVM锁和MySQL锁解决数据不一致问题

1. 引入并发问题

1.1 项目搭建

这里以一个最基础的库存问题引入：在高并发下下单会造成库存数据异常情况。

1. 数据表：就一个最基础的库存表和一个基础的数据。
   
   
   2. 新建SpringBoot2.7.3项目并引入相关依赖：

       <dependencies>
           <dependency>
               <groupId>org.springframework.bootgroupId>
               <artifactId>spring-boot-starter-webartifactId>
           dependency>
   
           <dependency>
               <groupId>mysqlgroupId>
               <artifactId>mysql-connector-javaartifactId>
           dependency>
   
           <dependency>
               <groupId>com.baomidougroupId>
               <artifactId>mybatis-plus-boot-starterartifactId>
               <version>3.5.1version>
           dependency>
   
           <dependency>
               <groupId>org.projectlombokgroupId>
               <artifactId>lombokartifactId>
               <optional>trueoptional>
           dependency>
           <dependency>
               <groupId>org.springframework.bootgroupId>
               <artifactId>spring-boot-starter-testartifactId>
               <scope>testscope>
           dependency>
       dependencies>
   

   3. mapper

   public interface StockMapper extends BaseMapper<Stock> {
   }
   

   4. service

   @Service
   public class StockServiceImpl implements StockService {
   
       @Resource
       private StockMapper stockMapper;
   
       @Override
       public Integer deStock() {
           Stock stock = stockMapper.selectOne(new QueryWrapper<Stock>()
                   .eq("product_code", "1001"));
           if (!Objects.isNull(stock)
                   && stock.getCount() > 0){
               stock.setCount(stock.getCount() -1);
               stockMapper.updateById(stock);
           }
           return stockMapper.selectById(stock.getId()).getCount();
       }
   }
   

2. controller

   @RestController
   @RequestMapping("/stock")
   public class StockController {
   
       @Resource
       private StockService stockService;
   
       @GetMapping
       public String deStock(){
           return "库存剩余：" + stockService.deStock();
       }
   }
   

1.2 使用Jmeter进行测试

• 使用十个线程各发送十各请求，也就是共100各请求，这里设置数据中也刚好有100库存。
  
  
• 请求之后可以发现：请求的数量与数据库中的库存剩余对应不上，这个值应该处于于0 - 90 之间，每个用户至少有一个请求会进去。
  

2. JVM锁解决

这里直接不测试了，肯定可以解决。

修改service减库存方法：

1. synchronized

       @Override
       public synchronized Integer deStock() {
           Stock stock = stockMapper.selectOne(new QueryWrapper<Stock>()
                   .eq("product_code", "1001"));
           if (!Objects.isNull(stock)
                   && stock.getCount() > 0){
               stock.setCount(stock.getCount() -1);
               stockMapper.updateById(stock);
           }
           return stockMapper.selectById(stock.getId()).getCount();
       }
   

2. ReentrantLock显示锁

       @Override
       public Integer deStock() {
           ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
           try {
               reentrantLock.lock();
               Stock stock = stockMapper.selectOne(new QueryWrapper<Stock>()
                       .eq("product_code", "1001"));
               if (!Objects.isNull(stock)
                       && stock.getCount() > 0){
                   stock.setCount(stock.getCount() -1);
                   stockMapper.updateById(stock);
               }
               return stockMapper.selectById(stock.getId()).getCount();
           }finally {
               reentrantLock.unlock();
           }
       }
   

JVM锁缺陷：

• 只有是单例的stockService对象下才能保证锁进行成功，在多例情况下每个对象都拥有自己的锁，不需要等待其他线程释放锁就可以执行。

• 在开启spring事务的情况下锁也可能（有一定几率）失效：由于spring的锁是使用AOP的方式来进行增强，如果同时A、B两个用户分别发送两个请求事务也会开启两个，但是由于只能一个用户（线程）才能够获得锁，完成之后才会释放锁；此时A用户的事务并没有提交，但是B用户已经可以获取当前方法的锁，那么就会造成一个数据不一致的问题，B获取的库存是A提交前的数量。如图：
  
  当然可以通过设置Spring事务中的隔离级别为读未提交来解决，但这种隔离级别就完全不满足系统需求了。

• 集群模式下：在不同的服务中的stockService肯定也不是一个相同的对象，存在与第一中失效方式相似的问题。

总结来说：上诉缺陷除了能避免使用多例模式，其他两种在系统构建上是无法进行取代的，因此需要使用其他的方式来进行并发数据的处理。

3. MySQL实现锁

3.1 MySQL默认锁

使用MySQL中自带的锁去解决：MySQL在执行更、删、改操作时会自动对当前语句加锁，也就是说我们只要能够使用一条sql来实现当前功能就可以避免数据问题。

• 新增mapper接口方法：

   @Update("update db_stock set count = count - #{count} " +
              "where product_code = #{productCode} and count >= #{count}")
      Integer deduct(@Param("productCode") String productCode, @Param("count") Integer count);
  
  

• 修改service实现类方法：

      @Override
      public Integer deStock() {
          return stockMapper.deduct("1001", 1);
      }
  

• 使用Jmeter来测试，可以发现不会出现数据异常问题。

• 解决： 很明显的可以看出一条sql中携带的锁可以完美的解决上方JVM锁失效的问题，但是真的那么？

• 发现问题：

  1. 一条sql无法实现在复杂情况下的操作，例如：如果一条商品code有多个仓库，就无法实现了。
  2. 同样的无法记录库存在进行下单前后的状态变化。
  3. 锁的粒度：通过分析可以看出，当前sql是一个表级锁，即当前sql在事务为提交之前，其他的io操作都无法执行。

3.2 MySQL悲观锁

• 使用select ... for update，可以对当前查询出的数据加上行级锁，即其他事务无法对已经查询出的数据进行修改删除等操作。
  但是想要改为行级锁就必须满足以下要求：

  1. 查询或者更新条件必须是索引字段；
  2. 查询或者更新条件必须是一个具体值（不能使索引失效）；

• 新增mapper中方法：

      @Select("select * from db_stock where product_code = #{productCode} for update")
      List<Stock> selectStockForUpdate(String productCode);
  

• 改造service中方法：

      @Transactional
      @Override
      public Integer deStock() {
          List<Stock> stocks = stockMapper.selectStockForUpdate("1001");
          if (Objects.isNull(stocks) || stocks.isEmpty()){
              return -1;
          }
  
          // 假设存在多仓库情况，默认扣减第一个仓库
          Stock stock = stocks.get(0);
          if (!Objects.isNull(stock) && stock.getCount() >= 1){
              stock.setCount(stock.getCount() - 1);
          }
          return stockMapper.updateById(stock);
      }
  

• 使用Jmeter测试，可以看出悲观锁也可以实现数据异常的问题。

• 优缺点：

  1. 效率比JVM锁高，但是比一条sql低；
  2. 可能存在死锁问题：需要保证对多条数据加锁时顺序一致；
  3. 库存操作要统一：要么都select ... for update，要么都select，一个有锁一个没有锁指定会出现数据冲突问题。

3.3 MySQL乐观锁

乐观锁：默认对IO属性操作不加锁，在执行完毕对数据中的版本号或者其他属性进行判断，确定当前数据执行前后是否被其他的事务更改。也就是CAS思想。
CAS：Compare and Swap，比较并交换，其实就是有用一个属性，在更新后判断当前属性是否有变化，有变化就放弃更改，无变化就更改。

• 更改成功
  
• 放弃更改
  

• 修改数据库表：新增版本号字段。每次更改时将version进行加一。
  

• 修改service方法：

      @Override
      public Integer deStock() {
          List<Stock> stocks = stockMapper.selectList( 
                  new QueryWrapper<Stock>()
                          .eq("product_code", "1001"));
  
          if (Objects.isNull(stocks) || stocks.isEmpty()){
              return -1;
          }
  
          // 假设存在多仓库情况，默认扣减第一个仓库
          Stock stock = stocks.get(0);
          Integer version = 0;
          if (!Objects.isNull(stock) && stock.getCount() >= 1){
              version = stock.getVersion();
              stock.setCount(stock.getCount() - 1);
              stock.setVersion(version + 1);
          }
  
          QueryWrapper<Stock> queryWrapper = new QueryWrapper<>();
          queryWrapper
                  .eq("id", stock.getId())
                  .eq("version", version);
          int update = stockMapper.update(stock, queryWrapper);
  
          // 更新失败递归重试
          if (update == 0){
              try {
                  // 避免一直重试导致栈内存溢出
                  Thread.sleep(20);
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              return deStock();
          }
  
          return update;
      }
  

• 通过Jmeter今天压力测试，发现可以满足数据一致的问题。

• 问题分析：

  1. 性能很低，并且会随着并发越来越高吞吐量会越来越低（因为线程越多修改失败的就越多，进行自旋的线程也就越多）。
  2. ABA问题：其实用来判断是否被修改的version字段可能已经被其他线程改过了，但是又改了回来，就导致当前线程无法判断出已经被修改，也就是仍然会任务当前可以进行更新。
  3. 在读写分离（主从）的情况下，可能回导致乐观锁不可靠：进行主从复制需要进行两次网络IO（读取主库、主库相应），两次本地IO（写入本地、从本地读出），在这个过程中可能有些数据已经被更改了。这就导致在进行查询时数据会有一定的延迟性，导致修改失败（或者不应该更改成功）。

4. JVM和MySQL锁总结

• 性能：一条sql锁>悲观锁>JVM锁>乐观锁。
• 在业务场景允许的情况下肯定优先选择一条更新sql自带的默认锁啊。
• 如果是多读少写，争抢不是很激烈的情况下优先选择乐观锁。
• 如果写入的并发量比较高，而且经常出现锁冲突，为了避免出现锁冲突而进行自旋的情况越来越多，优先选择悲观锁。