Redis实战(黑马点评--优惠券秒杀)

Redis实现全局唯一ID

在各类购物App中，都会遇到商家发放的优惠券
当用户抢购商品时，生成的订单会保存到tb_voucher_order表中，而订单表如果使用数据库自增ID就会存在一些问题
1. id规律性太明显
2. 受单表数据量的限制
如果我们的订单id有太明显的规律，那么对于用户或者竞争对手，就很容易猜测出我们的一些敏感信息，例如商城一天之内能卖出多少单，这明显不合适
随着我们商城的规模越来越大，MySQL的单表容量不宜超过500W，数据量过大之后，我们就要进行拆库拆表，拆分表了之后，他们从逻辑上讲，是同一张表，所以他们的id不能重复，于是乎我们就要保证id的唯一性
那么这就引出我们的全局ID生成器了
- 全局ID生成器是一种在分布式系统下用来生成全局唯一ID的工具，一般要满足一下特性
  - 唯一性
  - 高可用
  - 高性能
  - 递增性
  - 安全性
为了增加ID的安全性，我们可以不直接使用Redis自增的数值，而是拼接一些其他信息
ID组成部分
- 符号位：1bit，永远为0
- 时间戳：31bit，以秒为单位，可以使用69年（2^31秒约等于69年）
- 序列号：32bit，秒内的计数器，支持每秒传输2^32个不同ID

@Component
public class RedisIdWorker {
    @Autowired
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    //设置起始时间，我这里设定的是2022.01.01 00:00:00
    public static final Long BEGIN_TIMESTAMP = 1640995200L;
    //序列号长度
    public static final Long COUNT_BIT = 32L;

    public long nextId(String keyPrefix){
        //1. 生成时间戳
        LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
        long currentSecond = now.toEpochSecond(ZoneOffset.UTC);
        long timeStamp = currentSecond - BEGIN_TIMESTAMP;
        //2. 生成序列号
        String date = now.format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy:MM:dd"));
        long count = stringRedisTemplate.opsForValue().increment("inc:"+keyPrefix+":"+date);
        //3. 拼接并返回，简单位运算
        return timeStamp << COUNT_BIT | count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //设置一下起始时间，时间戳就是起始时间与当前时间的秒数差
        LocalDateTime tmp = LocalDateTime.of(2022, 1, 1, 0, 0, 0);
        System.out.println(tmp.toEpochSecond(ZoneOffset.UTC));
        //结果为1640995200L
    }
}

添加优惠券

每个店铺度可以发布优惠券，分为平价券和特价券，平价券可以任意购买，而特价券需要秒杀抢购

tb_voucher：优惠券的基本信息，优惠金额、使用规则等

Field	Type	Collation	Null	Key	Default	Extra	Comment
id	bigint unsigned	(NULL)	NO	PRI	(NULL)	auto_increment	主键
shop_id	bigint unsigned	(NULL)	YES		(NULL)		商铺id
title	varchar(255)	utf8mb4_general_ci	NO		(NULL)		代金券标题
sub_title	varchar(255)	utf8mb4_general_ci	YES		(NULL)		副标题
rules	varchar(1024)	utf8mb4_general_ci	YES		(NULL)		使用规则
pay_value	bigint unsigned	(NULL)	NO		(NULL)		支付金额，单位是分。例如200代表2元
actual_value	bigint	(NULL)	NO		(NULL)		抵扣金额，单位是分。例如200代表2元
type	tinyint unsigned	(NULL)	NO		0		0,普通券；1,秒杀券
status	tinyint unsigned	(NULL)	NO		1		1,上架; 2,下架; 3,过期
create_time	timestamp	(NULL)	NO		CURRENT_TIMESTAMP	DEFAULT_GENERATED	创建时间
update_time	timestamp	(NULL)	NO		CURRENT_TIMESTAMP	DEFAULT_GENERATED on update CURRENT_TIMESTAMP	更新时间

tb_seckill_voucher：优惠券的库存、开始抢购时间，结束抢购时间。特价优惠券才需要填写这些信息

Field	Type	Collation	Null	Key	Default	Extra	Comment
voucher_id	bigint unsigned	(NULL)	NO	PRI	(NULL)		关联的优惠券的id
stock	int	(NULL)	NO		(NULL)		库存
create_time	timestamp	(NULL)	NO		CURRENT_TIMESTAMP	DEFAULT_GENERATED	创建时间
begin_time	timestamp	(NULL)	NO		CURRENT_TIMESTAMP	DEFAULT_GENERATED	生效时间
end_time	timestamp	(NULL)	NO		CURRENT_TIMESTAMP	DEFAULT_GENERATED	失效时间
update_time	timestamp	(NULL)	NO		CURRENT_TIMESTAMP	DEFAULT_GENERATED on update CURRENT_TIMESTAMP	更新时间

平价券由于优惠力度并不是很大，所以是可以任意领取
而代金券由于优惠力度大，所以像第二种券，就得限制数量，从表结构上也能看出，特价券除了具有优惠券的基本信息以外，还具有库存，抢购时间，结束时间等等字段

新增普通券

/**
 * 新增普通券
 * @param voucher 优惠券信息
 * @return 优惠券id
 */
@PostMapping
public Result addVoucher(@RequestBody Voucher voucher) {
    voucherService.save(voucher);
    return Result.ok(voucher.getId());
}

新增秒杀券

/**
 * 新增秒杀券
 * @param voucher 优惠券信息，包含秒杀信息
 * @return 优惠券id
 */
@PostMapping("seckill")
public Result addSeckillVoucher(@RequestBody Voucher voucher) {
    voucherService.addSeckillVoucher(voucher);
    return Result.ok(voucher.getId());
}

新增秒杀券业务逻辑

@Override
@Transactional
public void addSeckillVoucher(Voucher voucher) {
    // 保存优惠券
    save(voucher);
    // 保存秒杀信息
    SeckillVoucher seckillVoucher = new SeckillVoucher();
    // 关联普通券id
    seckillVoucher.setVoucherId(voucher.getId());
    // 设置库存
    seckillVoucher.setStock(voucher.getStock());
    // 设置开始时间
    seckillVoucher.setBeginTime(voucher.getBeginTime());
    // 设置结束时间
    seckillVoucher.setEndTime(voucher.getEndTime());
    // 保存信息到秒杀券表中
    seckillVoucherService.save(seckillVoucher);
}

实现秒杀下单

那我们现在来分析一下怎么抢优惠券
- 首先提交优惠券id，然后查询优惠券信息
- 之后判断秒杀时间是否开始
  - 开始了，则判断是否有剩余库存
    - 有库存，那么删减一个库存
      - 然后创建订单
    - 无库存，则返回一个错误信息
  - 没开始，则返回一个错误信息
对应的流程图如下

@Service
@Transactional
public class VoucherOrderServiceImpl extends ServiceImpl<VoucherOrderMapper, VoucherOrder> implements IVoucherOrderService {

    @Resource
    private ISeckillVoucherService seckillVoucherService;

    @Autowired
    private RedisIdWorker redisIdWorker;

    @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())) {
            // 尚未结束
            return Result.fail("秒杀已结束！");
        }
        // 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) {
            return Result.fail("库存不足");
        }
        //6. 创建订单
        VoucherOrder voucherOrder = new VoucherOrder();
        //6.1 设置订单id
        long orderId = redisIdWorker.nextId("order");
        //6.2 设置用户id
        Long id = UserHolder.getUser().getId();
        //6.3 设置代金券id
        voucherOrder.setVoucherId(voucherId);
        voucherOrder.setId(orderId);
        voucherOrder.setUserId(id);
        //7. 将订单数据保存到表中
        save(voucherOrder);
        //8. 返回订单id
        return Result.ok(orderId);
    }
}

库存超卖问题分析

//4. 判断库存是否充足
if (seckillVoucher.getStock() < 1) {
    return Result.fail("优惠券已被抢光了哦，下次记得手速快点");
}
//5. 扣减库存
boolean success = seckillVoucherService.update().setSql("stock = stock - 1").eq("voucher_id", voucherId).update();
if (!success) {
    return Result.fail("库存不足");
}

假设现在只剩下一张优惠券，线程1过来查询库存，判断库存数大于1，但还没来得及去扣减库存，此时库线程2也过来查询库存，发现库存数也大于1，那么这两个线程都会进行扣减库存操作，最终相当于是多个线程都进行了扣减库存，那么此时就会出现超卖问题
超卖问题是典型的多线程安全问题，针对这一问题的常见解决方案就是加锁：而对于加锁，我们通常有两种解决方案
1. 悲观锁
  - 悲观锁认为线程安全问题一定会发生，因此在操作数据之前先获取锁，确保线程串行执行
  - 例如Synchronized、Lock等，都是悲观锁
2. 乐观锁
  - 乐观锁认为线程安全问题不一定会发生，因此不加锁，只是在更新数据的时候再去判断有没有其他线程对数据进行了修改
    - 如果没有修改，则认为自己是安全的，自己才可以更新数据
    - 如果已经被其他线程修改，则说明发生了安全问题，此时可以重试或者异常
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：乐观锁会有一个版本号，每次操作数据会对版本号+1，再提交回数据时，会去校验是否比之前的版本大1 ，如果大1 ，则进行操作成功，这套机制的核心逻辑在于，如果在操作过程中，版本号只比原来大1 ，那么就意味着操作过程中没有人对他进行过修改，他的操作就是安全的，如果不大1，则数据被修改过，当然乐观锁还有一些变种的处理方式比如CAS
乐观锁的典型代表：就是CAS(Compare-And-Swap)，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

使用stock来充当版本号，在扣减库存时，比较查询到的优惠券库存和实际数据库中优惠券库存是否相同

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

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
那么我们继续完善代码，修改我们的逻辑，在这种场景，我们可以只判断是否有剩余优惠券，即只要数据库中的库存大于0，都能顺利完成扣减库存操作

// 5.扣减库存
        boolean success = seckillVoucherService.update().setSql("stock = stock - 1")   // set stock = stock - 1
                .eq("voucher_id", voucherId) //.eq("stock", voucher.getStock())   // where id = ? and stock = ?
                .gt("stock", 0)
                .update();
        if (!success) {
            return Result.fail("库存不足");
        }

一人一单

具体操作逻辑如下：我们在判断库存是否充足之后，根据我们保存的订单数据，判断用户订单是否已存在
- 如果已存在，则不能下单，返回错误信息
- 如果不存在，则继续下单，获取优惠券

初步实现

// 5.一人一单
        Long userId = UserHolder.getUser().getId();
        // 5.1 查询订单
        int count = query().eq("user_id", userId).eq("voucher_id", voucherId).count();
        // 5.2 判断是否存在
        if (count > 0) {
            return Result.fail("用户已经购买过一次！");
        }

存在问题：还是和之前一样，如果这个用户故意开多线程抢优惠券，那么在判断库存充足之后，执行一人一单逻辑之前，在这个区间如果进来了多个线程，还是可以抢多张优惠券的，那我们这里使用悲观锁来解决这个问题
初步代码，我们把一人一单逻辑之后的代码都提取到一个createVoucherOrder方法中，然后给这个方法加锁
不管哪一个线程（例如线程A），运行到这个方法时，都要检查有没有其它线程B（或者C、 D等）正在用这个方法(或者该类的其他同步方法)，有的话要等正在使用synchronized方法的线程B（或者C 、D）运行完这个方法后再运行此线程A，没有的话，锁定调用者，然后直接运行。

封装方法

@Transactional
    public synchronized Result createVoucherOrder(Long voucherId) {
        // 5.一人一单
        Long userId = UserHolder.getUser().getId();
        // 5.1 查询订单
        int count = query().eq("user_id", userId).eq("voucher_id", voucherId).count();
        // 5.2 判断是否存在
        if (count > 0) {
            return Result.fail("用户已经购买过一次！");
        }
        // 5.3 扣减库存
        boolean success = seckillVoucherService.update().setSql("stock = stock - 1")   // set stock = stock - 1
                .eq("voucher_id", voucherId) //.eq("stock", voucher.getStock())   // where id = ? and stock = ?
                .gt("stock", 0)
                .update();
        if (!success) {
            return Result.fail("库存不足");
        }

        //6. 创建订单
        VoucherOrder voucherOrder = new VoucherOrder();
        //6.1 设置订单id
        long orderId = redisIdWorker.nextId("order");
        //6.2 设置用户id
        Long id = UserHolder.getUser().getId();
        //6.3 设置代金券id
        voucherOrder.setVoucherId(voucherId);
        voucherOrder.setId(orderId);
        voucherOrder.setUserId(id);
        //7. 将订单数据保存到表中
        save(voucherOrder);
        //8. 返回订单id
        return Result.ok(orderId);
    }

但是这样加锁，锁的细粒度太粗了，在使用锁的过程中，控制锁粒度是一个非常重要的事情，因为如果锁的粒度太大，会导致每个线程进来都会被锁住，现在的情况就是所有用户都公用这一把锁，串行执行，效率很低，我们现在要完成的业务是一人一单，所以这个锁，应该只加在单个用户上，用户标识可以用userId

@Transactional
    public Result createVoucherOrder(Long voucherId) {
        // 5.一人一单
        Long userId = UserHolder.getUser().getId();
        synchronized (userId.toString().intern()) {
            // 5.1 查询订单
            int count = query().eq("user_id", userId).eq("voucher_id", voucherId).count();
            // 5.2 判断是否存在
            if (count > 0) {
                return Result.fail("用户已经购买过一次！");
            }
            // 5.3 扣减库存
            boolean success = seckillVoucherService.update().setSql("stock = stock - 1")   // set stock = stock - 1
                    .eq("voucher_id", voucherId) //.eq("stock", voucher.getStock())   // where id = ? and stock = ?
                    .gt("stock", 0)
                    .update();
            if (!success) {
                return Result.fail("库存不足");
            }

            //6. 创建订单
            VoucherOrder voucherOrder = new VoucherOrder();
            //6.1 设置订单id
            long orderId = redisIdWorker.nextId("order");
            //6.2 设置用户id
            Long id = UserHolder.getUser().getId();
            //6.3 设置代金券id
            voucherOrder.setVoucherId(voucherId);
            voucherOrder.setId(orderId);
            voucherOrder.setUserId(id);
            //7. 将订单数据保存到表中
            save(voucherOrder);
            //8. 返回订单id
            return Result.ok(orderId);
        }
        //执行到这里，锁已经被释放了，但是可能当前事务还未提交，如果此时有线程进来，不能确保事务不出问题
    }

但是以上代码还是存在问题，问题的原因在于当前方法被Spring的事务控制，如果你在内部加锁，可能会导致当前方法事务还没有提交，但是锁已经释放了，这样也会导致问题，所以我们选择将当前方法整体包裹起来，确保事务不会出现问题

@Override
public Result seckillVoucher(Long voucherId) {
    LambdaQueryWrapper<SeckillVoucher> queryWrapper = new LambdaQueryWrapper<>();
    //1. 查询优惠券
    queryWrapper.eq(SeckillVoucher::getVoucherId, voucherId);
    SeckillVoucher seckillVoucher = seckillVoucherService.getOne(queryWrapper);
    //2. 判断秒杀时间是否开始
    if (LocalDateTime.now().isBefore(seckillVoucher.getBeginTime())) {
        return Result.fail("秒杀还未开始，请耐心等待");
    }
    //3. 判断秒杀时间是否结束
    if (LocalDateTime.now().isAfter(seckillVoucher.getEndTime())) {
        return Result.fail("秒杀已经结束！");
    }
    //4. 判断库存是否充足
    if (seckillVoucher.getStock() < 1) {
        return Result.fail("优惠券已被抢光了哦，下次记得手速快点");
    }
    Long userId = UserHolder.getUser().getId();
    synchronized (userId.toString().intern()) {
        return createVoucherOrder(voucherId);
    }
}

但是以上做法依然有问题，因为你调用的方法，其实是this.的方式调用的，事务想要生效，还得利用代理来生效，所以这个地方，我们需要获得原始的事务对象，来操作事务，这里可以使用AopContext.currentProxy()来获取当前对象的代理对象，然后再用代理对象调用方法，记得要去IVoucherOrderService中创建createVoucherOrder方法

Long userId = UserHolder.getUser().getId();
synchronized (userId.toString().intern()) {
    IVoucherOrderService proxy = (IVoucherOrderService) AopContext.currentProxy();
    return proxy.createVoucherOrder(voucherId);
}

但是该方法会用到一个依赖，我们需要导入一下

<dependency>
    <groupId>org.aspectj</groupId>
    <artifactId>aspectjweaver</artifactId>
</dependency>

同时在启动类上加上@EnableAspectJAutoProxy(exposeProxy = true)注解

@MapperScan("com.hmdp.mapper")
@SpringBootApplication
@EnableAspectJAutoProxy(exposeProxy = true)
public class HmDianPingApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(HmDianPingApplication.class, args);
    }

}

集群环境下的并发问题

通过加锁可以解决在单机情况下的一人一单安全问题，但是在集群模式下就不行了
1. 我们将服务启动两份，端口分别为8081和8082
2. 然后修改nginx的config目录下的nginx.conf文件，配置反向代理和负载均衡（默认轮询就行）
具体操作，我们使用POSTMAN发送两次请求，header携带同一用户的token，尝试用同一账号抢两张优惠券，发现是可行的。
失败原因分析：由于我们部署了多个Tomcat，每个Tomcat都有一个属于自己的jvm，那么假设在服务器A的Tomcat内部，有两个线程，即线程1和线程2，这两个线程使用的是同一份代码，那么他们的锁对象是同一个，是可以实现互斥的。但是如果在Tomcat的内部，又有两个线程，但是他们的锁对象虽然写的和服务器A一样，但是锁对象却不是同一个，所以线程3和线程4可以实现互斥，但是却无法和线程1和线程2互斥

这就是集群环境下，syn锁失效的原因，在这种情况下，我们需要使用分布式锁来解决这个问题，让锁不存在于每个jvm的内部，而是让所有jvm公用外部的一把锁（Redis）

posted on 2023-07-01 00:06 夏雪冬蝉阅读(445) 评论(0) 编辑收藏举报

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