等幂算法实践

问题一：用户扣款的业务场景是怎样的？

 

用户购买商品的过程中，要对余额进行查询与修改，大致的业务流程如下：

第一步，从数据库查询用户现有余额：
SELECT money FROM t_yue WHERE uid=$uid;
不妨设查询出来的$old_money=100元。

第二步，业务层实施业务逻辑计算，比如：
（1）先查询购买商品的价格，例如是80元；
（2）再查询产品是否有活动，以及活动折扣，例如是9折；
（3）比对余额是否足够，足够时才往下走；if($old_money> 80*0.9){
    $new_money=$old_money-80*0.9=28
} else {
    return "Not enough minerals";
}

第三步，将数据库中的余额进行修改。
UPDATE t_yue SET money=$new_money 

WHERE uid=$uid;

在并发量低的情况下，这个流程没有任何问题，原有金额100元，购买了80元的九折商品（72元），剩余28元。
问题二：同一个用户，并发扣款可能出现什么问题？
在分布式环境中，如果并发量很大，这种“查询+修改”的业务有一定概率出现数据不一致。

极限情况下，可能出现这样的异常流程：步骤一，业务1和业务2并发查询余额，是100元。
画外音：这些并发查询，是在不同的站点实例/服务实例上完成的，进程内互斥锁肯定解决不了。

步骤二，业务1和业务2并发进行逻辑计算，算出各自业务的余额，假设业务1算出的余额是28元，业务2算出的余额是38元。

步骤三，业务1对数据库中的余额先进行修改，设置成28元。业务2对数据库中的余额后进行修改，设置成38元。
此时异常出现了，原有金额100元，业务1扣除了72元，业务2扣除了62元，最后剩余38元。
画外音：假设业务1先写回余额，业务2再写回余额。
问题三：有什么常见的解决方案？对于此案例，同一个用户，并发扣款时，有小概率会出现异常，可以对每一个用户进行分布式锁互斥，例如：在redis/zk里抢到一个key才能继续操作，否则禁止操作。

这种悲观锁方案确实可行，但要引入额外的组件(redis/zk)，并且会降低吞吐量。

对于小概率的不一致，有没有乐观锁的方案呢？
对并发扣款进行进一步的分析发现：
（1）业务1写回时，旧余额100，这是一个初始状态；新余额28，这是一个结束状态。理论上只有在旧余额为100时，新余额才应该写回成功。

而业务1并发写回时，旧余额确实是100，理应写回成功。

（2）业务2写回时，旧余额100，这是一个初始状态；新余额28，这是一个结束状态。理论上只有在旧余额为100时，新余额才应该写回成功。

可实际上，这个时候数据库中的金额已经变为28了，所以业务2的并发写回，不应该成功。
如何低成本实施乐观锁？在set写回的时候，加上初始状态的条件compare，只有初始状态不变时，才允许set写回成功，Compare And Set（CAS），是一种常见的降低读写锁冲突，保证数据一致性的方法。
此时业务要怎么改？使用CAS解决高并发时数据一致性问题，只需要在进行set操作时，compare初始值，如果初始值变换，不允许set成功。

具体到这个case，只需要将：
UPDATE t_yue SET money=$new_money 

WHERE uid=$uid;
升级为：

UPDATE t_yue SET money=$new_money 

WHERE uid=$uid AND money=$old_money;
即可。

并发操作发生时：

业务1执行：
UPDATE t_yue SET money=28 

WHERE uid=$uid AND money=100;

业务2执行：
UPDATE t_yue SET money=38 

WHERE uid=$uid AND money=100;

这两个操作同时进行时，只可能有一个执行成功。
怎么判断哪个并发执行成功，哪个并发执行失败呢？set操作，其实无所谓成功或者失败，业务能通过affect rows来判断：（1）写回成功的，affect rows为1；（2）写回失败的，affect rows为0；
高并发“查询并修改”的场景，可以用CAS（Compare and Set）的方式解决数据一致性问题。对应到业务，即在set的时候，加上初始条件的比对即可。

优化不难，只改了半行SQL，但确实能解决问题。
问题四：能不能使用直接扣减的方法

UPDATE t_yue SET money=money-$diff 

WHERE uid=$uid;

来进行余额扣减？
明显不行，在并发情况下，会将money扣成负数。
问题五：为了保证余额不被扣成负数，再加一个where条件：UPDATE t_yue SET money=money-$diff WHERE uid=$uid AND money-$diff>0;这样是否可行？
很遗憾，仍然不行。这个方案不幂等。
那什么是幂等性？
聊幂等性之前，先看另一个测试用例的case。
假设有一个服务接口，注册新用户：

bool RegisterUser($uid, $name){

         //查看uid是否已经存在

         select uid from t_user where uid=$uid;

         //不是新用户，返回失败

         if(rows>0)return false;

         else{

                   //把新用户插入用户表                   insert into t_user values($uid, $name);                   //返回成功                   return true;         }}
有一个测试工程师，对该接口写了一个测试用例：

bool TestCase_RegisterUser(){

         //造一些假数据

         long uid=123;

         String name='shenjian';

         //调用被测试的接口

         bool result= RegisterUser(uid,name);

         //预期注册成功，对结果进行断言判断

         Assert(result,true);

         //返回测试结果

         return result;

}

这是不是一个好的测试用例？这个用例存在什么问题？你会发现，相同条件下，这个测试用例执行两次，得到的结果不一样：（1）第一次执行，第一次造数据，调用接口，注册成功；（2）第二次执行，又造了一次相同的数据，调用接口，注册会失败；这不是一个好的测试用例，多次执行结果不同。
什么是幂等性？相同条件下，执行同一请求，得到的结果相同，才符合幂等性。画外音：Google一下，比我解释得更好，但意思应该说清楚了。
如何将上面的测试用例改为符合“幂等性”的测试用例呢？
只需要加一行代码：

bool TestCase_RegisterUser(){

         //造一些假数据

         long uid=123;

         String name=’shenjian’;

         //先删除这个伪造的用户

         DeleteUser(uid);

         //调用被测试的接口

         bool result= RegisterUser(uid,name);

         //预期注册成功，对结果进行断言判断

         Assert(result,true);

         //返回测试结果

         return result;

}

这样，在相同条件下，不管这个用例执行多少次，得到的测试结果都是相同的。

读请求，一般是幂等的。

写请求，视情况而定：

（1）insert x，一般来说不是幂等的，重复插入得到的结果不一定一样；（2）delete x，一般来说是幂等的，删除多次得到的结果仍相同；（3）set a=x是幂等的；（4）set a=a-x不是幂等的；（5）…
因此，这么扣减余额：

UPDATE t_yue SET money=$new_money 

WHERE uid=$uid AND money=$old_money;

 

是幂等操作。
要是这么扣减余额：

UPDATE t_yue SET money=money-$diff 

WHERE uid=$uid AND money-$diff>0;

不是幂等操作。
聊到这里，或许有朋友要抬杠了，测试用例会重复执行，扣款怎么会重复执行呢？重试。
重试，是异常处理里很常见的手段。
你在写业务的时候有没有写过这样的代码：result = DoSomething();if(false==result || TIMEOUT){         //错误，或者超时，重试一次         result= DoSomething();}return result;
当然，又会有朋友抬杠了，我从来不重试！！！画外音：额，这是合格，还是不合格呢？
你可以决定业务代码怎么写，你不能决定底层框架代码怎么写：（1）站点框架有没有自动重试？（2）服务框架有没有自动重试？（3）服务连接池，数据库连接池有没有自动重试？画外音：（1）服务化分层的架构中，建议只入口层重试，服务层不要重试，防止雪崩；（2）dubbo底层，调用超时是默认重试的，这个设计不好；
因此，在有重试的架构体系里，幂等性是需要考虑的一个问题。
因此，扣款和充值业务，一般使用：

• select&set，配合CAS方案

而不使用：

• set money-=X方案