第31講：如何保證接口的冪等性？常見的實現方案有哪些？ · Java 源碼剖析 34 講

冪等性問題是面試中常見的面試問題，也是分布式系統最常遇到的問題之一。在說冪等性之前，我們先來看一種情況，假如老王在某電商平臺進行購物，付款的時候不小心手抖了一下，連續點擊了兩次支付，但此時服務器沒做任何驗證，于是老王賬戶里面的錢被扣了兩次，這顯然對當事人造成了一定的經濟損失，并且還會讓用戶喪失對平臺的信任。而冪等性問題說的就是如何防止接口的重復無效請求。我們本課時的面試題是，什么是冪等性？如何保證接口的冪等性？ #### 典型回答冪等性最早是數學里面的一個概念，后來被用于計算機領域，用于表示任意多次請求均與一次請求執行的結果相同，也就是說對于一個接口而言，無論調用了多少次，最終得到的結果都是一樣的。比如以下代碼： ``` public class IdempotentExample { // 變量 private static int count = 0; /** * 非冪等性方法 */ public static void addCount() { count++; } /** * 冪等性方法 */ public static void printCount() { System.out.println(count); } } ``` 對于變量 count 來說，如果重復調用 addCount() 方法的話，會一直累加 count 的值，因為 addCount() 方法就是非冪等性方法；而 printCount() 方法只是用來打印控制臺信息的。因此，它無論調用多少次結果都是一樣的，所以它是冪等性方法。知道了冪等性的概念，那如何保證冪等性呢？冪等性的實現方案通常分為以下幾類： * 前端攔截 * 使用數據庫實現冪等性 * 使用 JVM 鎖實現冪等性 * 使用分布式鎖實現冪等性下面我們分別來看它們的具體實現過程。 * [ ] 1. 前端攔截前端攔截是指通過 Web 站點的頁面進行請求攔截，比如在用戶點擊完“提交”按鈕后，我們可以把按鈕設置為不可用或者隱藏狀態，避免用戶重復點擊。執行效果如下圖所示： ![](https://img.kancloud.cn/63/5b/635b60154048fd9e5a526c19649de04c_445x347.gif) 按鈕點擊效果圖核心的實現代碼如下： ``` <script> function subCli(){ // 按鈕設置為不可用 document.getElementById("btn_sub").disabled="disabled"; document.getElementById("dv1").innerText = "按鈕被點擊了~"; } </script> <body style="margin-top: 100px;margin-left: 100px;"> <input id="btn_sub" type="button" value=" 提交 " onclick="subCli()"> <div id="dv1" style="margin-top: 80px;"></div> </body> ``` 但前端攔截有一個致命的問題，如果是懂行的程序員或者黑客可以直接繞過頁面的 JS 執行，直接模擬請求后端的接口，這樣的話，我們前端的這些攔截就不能生效了。因此除了前端攔截一部分正常的誤操作之外，后端的驗證必不可少。 * [ ] 2. 數據庫實現數據庫實現冪等性的方案有三個： * 通過悲觀鎖來實現冪等性 * 通過唯一索引來實現冪等性 * 通過樂觀鎖來實現冪等性 * [ ] 3. JVM 鎖實現 JVM 鎖實現是指通過 JVM 提供的內置鎖如 Lock 或者是 synchronized 來實現冪等性。使用 JVM 鎖來實現冪等性的一般流程為：首先通過 Lock 對代碼段進行加鎖操作，然后再判斷此訂單是否已經被處理過，如果未處理則開啟事務執行訂單處理，處理完成之后提交事務并釋放鎖，執行流程如下圖所示： ![](https://img.kancloud.cn/30/31/3031eeabd5f326b1847383d900604923_2254x328.png) JVM 鎖執行流程圖 JVM 鎖存在的最大問題在于，它只能應用于單機環境，因為 Lock 本身為單機鎖，所以它就不適應于分布式多機環境。 * [ ] 4. 分布式鎖實現分布式鎖實現冪等性的邏輯是，在每次執行方法之前先判斷是否可以獲取到分布式鎖，如果可以，則表示為第一次執行方法，否則直接舍棄請求即可，執行流程如下圖所示： ![](https://img.kancloud.cn/56/aa/56aa2379418b0bf4232acdd9905aab3c_974x744.png) 分布式鎖執行流程圖需要注意的是分布式鎖的 key 必須為業務的唯一標識，我們通常使用 Redis 或者 ZooKeeper 來實現分布式鎖；如果使用 Redis 的話，則用 set 命令來創建和獲取分布式鎖，執行示例如下： ``` 127.0.0.1:6379> set lock true ex 30 nx OK # 創建鎖成功 ``` 其中，ex 是用來設置超時時間的；而 nx 是 not exists 的意思，用來判斷鍵是否存在。如果返回的結果為“OK”，則表示創建鎖成功，否則表示重復請求，應該舍棄。更多關于 Reids 實現分布式的內容可以查看第 20 課時的內容。考點分析冪等性問題看似“高大上”其實說白了就是如何避免重復請求提交的問題，出于安全性的考慮，我們必須在前后端都進行冪等性驗證，同時冪等性問題在日常工作中又特別常見，解決的方案也有很多，但考慮到分布式系統情況，我們應該優先使用分布式鎖來實現。和此知識點相關的面試題還有以下這些： * 冪等性需要注意什么問題？ * 實現冪等性的關鍵步驟有哪些？ * 說一說數據庫實現冪等性的執行細節？ #### 知識擴展 * [ ] 1. 冪等性注意事項冪等性的實現與判斷需要消耗一定的資源，因此不應該給每個接口都增加冪等性判斷，要根據實際的業務情況和操作類型來進行區分。例如，我們在進行查詢操作和刪除操作時就無須進行冪等性判斷。查詢操作查一次和查多次的結果都是一致的，因此我們無須進行冪等性判斷。刪除操作也是一樣，刪除一次和刪除多次都是把相關的數據進行刪除（這里的刪除指的是條件刪除而不是刪除所有數據），因此也無須進行冪等性判斷。 * [ ] 2. 冪等性的關鍵步驟實現冪等性的關鍵步驟分為以下三個： 1. 每個請求操作必須有唯一的 ID，而這個 ID 就是用來表示此業務是否被執行過的關鍵憑證，例如，訂單支付業務的請求，就要使用訂單的 ID 作為冪等性驗證的 Key； 2. 每次執行業務之前必須要先判斷此業務是否已經被處理過； 3. 第一次業務處理完成之后，要把此業務處理的狀態進行保存，比如存儲到 Redis 中或者是數據庫中，這樣才能防止業務被重復處理。 * [ ] 3. 數據庫實現冪等性使用數據庫實現冪等性的方法有三種： * 通過悲觀鎖來實現冪等性 * 通過唯一索引來實現冪等性 * 通過樂觀鎖來實現冪等性接下來我們分別來看這些實現方式的具體執行過程。 * ① 悲觀鎖使用悲觀鎖實現冪等性，一般是配合事務一起來實現，在沒有使用悲觀鎖時，我們通常的執行過程是這樣的，首先來判斷數據的狀態，執行 SQL 如下： ``` select status from table_name where id='xxx'; ``` 然后再進行添加操作： ``` insert into table_name (id) values ('xxx'); ``` 最后再進行狀態的修改： ``` update table_name set status='xxx'; ``` 但這種情況因為是非原子操作，所以在高并發環境下可能會造成一個業務被執行兩次的問題，當一個程序在執行中時，而另一個程序也開始狀態判斷的操作。因為第一個程序還未來得及更改狀態，所以第二個程序也能執行成功，這就導致一個業務被執行了兩次。在這種情況下我們就可以使用悲觀鎖來避免問題的產生，實現 SQL 如下所示： ``` begin; # 1.開始事務 select * from table_name where id='xxx' for update; # 2.查詢狀態 insert into table_name (id) values ('xxx'); # 3.添加操作 update table_name set status='xxx'; # 4.更改操作 commit; # 5.提交事務 ``` 在實現的過程中需要注意以下兩個問題： * 如果使用的是 MySQL 數據庫，必須選用 innodb 存儲引擎，因為 innodb 支持事務； * id 字段一定要是主鍵或者是唯一索引，不然會鎖表，影響其他業務執行。 * ② 唯一索引我們可以創建一個唯一索引的表來實現冪等性，在每次執行業務之前，先執行插入操作，因為唯一字段就是業務的 ID，因此如果重復插入的話會觸發唯一約束而導致插入失敗。在這種情況下（插入失敗）我們就可以判定它為重復提交的請求。唯一索引表的創建示例如下： ``` CREATE TABLE `table_name` ( `id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT, `orderid` varchar(32) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '唯一id', PRIMARY KEY (`id`), UNIQUE KEY `uq_orderid` (`orderid`) COMMENT '唯一約束' ) ENGINE=InnoDB; ``` * ③ 樂觀鎖樂觀鎖是指在執行數據操作時（更改或添加）進行加鎖操作，其他時間不加鎖，因此相比于整個執行過程都加鎖的悲觀鎖來說，它的執行效率要高很多。樂觀鎖可以通過版本號來實現，例如以下 SQL： ``` update table_name set version=version+1 where version=0; ``` #### 小結冪等性不但可以保證程序正常執行，還可以杜絕一些垃圾數據以及無效請求對系統資源的消耗。本課時我們講了冪等性的 6 種實現方式，包括前端攔截、數據庫悲觀鎖實現、數據唯一索引實現、數據庫樂觀鎖實現、JVM 鎖實現，以及分布式鎖的實現等方案，其中前端攔截無法防止懂行的人直接繞過前端進行模擬請求的操作。因此后端一定要實現冪等性處理，推薦的做法是使用分布式鎖來實現，這樣的解決方案更加通用。 #### 課后問答 * 1、本質上來說還是用業務來判斷，和鎖有什么關系呢？是不是說鎖只是保證每次執行的原子性講師回復：這相當于用唯一鎖的概念來實現了冪等性的業務。