Redis分布式锁解决高并发场景

Redis分布式锁解决高并发场景
首先,我们一起来看看这个问题的背景?
前段时间有个朋友在外面面试,然后有一天找我聊说:有一个国内不错的电商公司,面试官给他出了一个场景题:
假如下单时,用分布式锁来防止库存超卖,但是是每秒上千订单的高并发场景,如何对分布式锁进行高并发优化来应对这个场景?
他说他当时没答上来,因为没做过没什么思路。其实我当时听到这个面试题心里也觉得有点意思,因为如果是我来面试候选人的话,应该会给的范围更大一些
比如,让面试的同学聊一聊电商高并发秒杀场景下的库存超卖解决方案,各种方案的优缺点以及实践,进而聊到分布式锁这个话题。
因为库存超卖问题是有很多种技术解决方案的,比如悲观锁,分布式锁,乐观锁,队列串行化,Redis原子操作,等等吧。
但是既然那个面试官兄弟限定死了用分布式锁来解决库存超卖,我估计就是想问一个点:在高并发场景下如何优化分布式锁的并发性能
我觉得,面试官提问的角度还是可以接受的,因为在实际落地生产的时候,分布式锁这个东西保证了数据的准确性,但是他天然并发能力有点弱。
刚好我之前在自己项目的其他场景下,确实是做过高并发场景下的分布式锁优化方案,因此正好是借着这个朋友的面试题,把分布式锁的高并发优化思路,给大家来聊一聊。
库存超卖现象是怎么产生的?
先来看看如果不用分布式锁,所谓的电商库存超卖是啥意思?大家看看下面的图:
Redis分布式锁解决高并发场景_第1张图片

这个图,其实很清晰了,假设订单系统部署两台机器上,不同的用户都要同时买10台iphone,分别发了一个请求给订单系统。
接着每个订单系统实例都去数据库里查了一下,当前iphone库存是12台。
俩大兄弟一看,乐了,12台库存大于了要买的10台数量啊!
于是乎,每个订单系统实例都发送SQL到数据库里下单,然后扣减了10个库存,其中一个将库存从12台扣减为2台,另外一个将库存从2台扣减为-8台。
现在完了,库存出现了负数!泪奔啊,没有20台iphone发给两个用户啊!这可如何是好。
用分布式锁如何解决库存超卖问题?
我们用分布式锁如何解决库存超卖问题呢?其实很简单,回忆一下上次我们说的那个分布式锁的实现原理:
同一个锁key,同一时间只能有一个客户端拿到锁,其他客户端会陷入无限的等待来尝试获取那个锁,只有获取到锁的客户端才能执行下面的业务逻辑。
Redis分布式锁解决高并发场景_第2张图片

代码大概就是上面那个样子,现在我们来分析一下,为啥这样做可以避免库存超卖?
Redis分布式锁解决高并发场景_第3张图片

大家可以顺着上面的那个步骤序号看一遍,马上就明白了。
从上图可以看到,只有一个订单系统实例可以成功加分布式锁,然后只有他一个实例可以查库存、判断库存是否充足、下单扣减库存,接着释放锁。
释放锁之后,另外一个订单系统实例才能加锁,接着查库存,一下发现库存只有2台了,库存不足,无法购买,下单失败。不会将库存扣减为-8的。

有没有其他方案可以解决库存超卖问题?
当然有啊!比如悲观锁,分布式锁,乐观锁,队列串行化,异步队列分散,Redis原子操作,等等,很多方案,我们对库存超卖有自己的一整套优化机制。
但是前面说过了,这篇文章就聊一个分布式锁的并发优化,不是聊库存超卖的解决方案,所以库存超卖只是一个业务场景而已
分布式锁的方案在高并发场景下
好,现在我们来看看,分布式锁的方案在高并发场景下有什么问题?

问题很大啊!兄弟,不知道你看出来了没有。分布式锁一旦加了之后,对同一个商品的下单请求,会导致所有客户端都必须对同一个商品的库存锁key进行加锁。
比如,对iphone这个商品的下单,都必对“iphone_stock”这个锁key来加锁。这样会导致对同一个商品的下单请求,就必须串行化,一个接一个的处理。
大家再回去对照上面的图反复看一下,应该能想明白这个问题。
假设加锁之后,释放锁之前,查库存 -> 创建订单 -> 扣减库存,这个过程性能很高吧,算他全过程20毫秒,这应该不错了。
那么1秒是1000毫秒,只能容纳50个对这个商品的请求依次串行完成处理。
比如一秒钟来50个请求,都是对iphone下单的,那么每个请求处理20毫秒,一个一个来,最后1000毫秒正好处理完50个请求。
大家看一眼下面的图,加深一下感觉。
Redis分布式锁解决高并发场景_第4张图片

所以看到这里,大家起码也明白了,简单的使用分布式锁来处理库存超卖问题,存在什么缺陷。
缺陷就是同一个商品多用户同时下单的时候,会基于分布式锁串行化处理,导致没法同时处理同一个商品的大量下单的请求。
这种方案,要是应对那种低并发、无秒杀场景的普通小电商系统,可能还可以接受。
因为如果并发量很低,每秒就不到10个请求,没有瞬时高并发秒杀单个商品的场景的话,其实也很少会对同一个商品在一秒内瞬间下1000个订单,因为小电商系统没那场景
如何对分布式锁进行高并发优化?
好了,终于引入正题了,那么现在怎么办呢?

面试官说,我现在就卡死,库存超卖就是用分布式锁来解决,而且一秒对一个iphone下上千订单,怎么优化?
现在按照刚才的计算,你一秒钟只能处理针对iphone的50个订单。
其实说出来也很简单,相信很多人看过java里的ConcurrentHashMap的源码和底层原理,应该知道里面的核心思路,就是分段加锁!
把数据分成很多个段,每个段是一个单独的锁,所以多个线程过来并发修改数据的时候,可以并发的修改不同段的数据。不至于说,同一时间只能有一个线程独占修改ConcurrentHashMap中的数据。
另外,Java 8中新增了一个LongAdder类,也是针对Java
7以前的AtomicLong进行的优化,解决的是CAS类操作在高并发场景下,使用乐观锁思路,会导致大量线程长时间重复循环。
LongAdder中也是采用了类似的分段CAS操作,失败则自动迁移到下一个分段进行CAS的思路。
其实分布式锁的优化思路也是类似的,之前我们是在另外一个业务场景下落地了这个方案到生产中,不是在库存超卖问题里用的。
但是库存超卖这个业务场景不错,很容易理解,所以我们就用这个场景来说一下。大家看看下面的图:
Redis分布式锁解决高并发场景_第5张图片

其实这就是分段加锁。你想,假如你现在iphone有1000个库存,那么你完全可以给拆成20个库存段,要是你愿意,可以在数据库的表里建20个库存字段,比如stock_01,stock_02,类似这样的,也可以在redis之类的地方放20个库存key。
总之,就是把你的1000件库存给他拆开,每个库存段是50件库存,比如stock_01对应50件库存,stock_02对应50件库存。
接着,每秒1000个请求过来了,好!此时其实可以是自己写一个简单的随机算法,每个请求都是随机在20个分段库存里,选择一个进行加锁。
bingo!这样就好了,同时可以有最多20个下单请求一起执行,每个下单请求锁了一个库存分段,然后在业务逻辑里面,就对数据库或者是Redis中的那个分段库存进行操作即可,包括查库存 -> 判断库存是否充足 -> 扣减库存。
这相当于什么呢?相当于一个20毫秒,可以并发处理掉20个下单请求,那么1秒,也就可以依次处理掉20 * 50 = 1000个对iphone的下单请求了。
一旦对某个数据做了分段处理之后,有一个坑大家一定要注意:就是如果某个下单请求,咔嚓加锁,然后发现这个分段库存里的库存不足了,此时咋办?
这时你得自动释放锁,然后立马换下一个分段库存,再次尝试加锁后尝试处理。这个过程一定要实现。
分布式锁并发优化方案有没有什么不足?
不足肯定是有的,最大的不足,大家发现没有,很不方便啊!实现太复杂了。

首先,你得对一个数据分段存储,一个库存字段本来好好的,现在要分为20个分段库存字段;
其次,你在每次处理库存的时候,还得自己写随机算法,随机挑选一个分段来处理;
最后,如果某个分段中的数据不足了,你还得自动切换到下一个分段数据去处理
这个过程都是要手动写代码实现的,还是有点工作量,挺麻烦的。
不过我们确实在一些业务场景里,因为用到了分布式锁,然后又必须要进行锁并发的优化,又进一步用到了分段加锁的技术方案,效果当然是很好的了,一下子并发性能可以增长几十倍。
该优化方案的后续改进
以我们本文所说的库存超卖场景为例,你要是这么玩,会把自己搞的很痛苦!
再次强调,我们这里的库存超卖场景,仅仅只是作为演示场景而已,以后有机会,再单独聊聊高并发秒杀系统架构下的库存超卖的其他解决方案。

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