使用DCS实现热点资源顺序访问

方案概述

应用场景

在传统单机部署的情况下，可以使用Java并发处理相关的API（如ReentrantLock或synchronized）进行互斥控制。这种Java提供的原生锁机制可以保证在同一个Java虚拟机进程内的多个线程同步执行，避免出现无序现象。

但在互联网场景，例如在商品秒杀过程中，随着客户业务量上升，整个系统并发飙升，需要多台机器并发运行。例如当两个用户同时发起的请求分别落在两个不同的机器上时，虽然这两个请求可以同时执行，但是因为两个机器运行在两个不同的Java虚拟机中，因此每个机器加的锁不是同一个锁，而不同的锁只对属于自己Java虚拟机中的线程有效，对其他Java虚拟机的线程无效。此时，Java提供的原生锁机制在多机部署场景下就会失效，出现库存超卖的现象。

解决方案

基于上述场景，需要保证两台机器加的锁是同一个锁，用加锁的方式对某种资源进行顺序访问控制。这就需要分布式锁登场了。

分布式锁的思路是：在整个系统提供一个全局的、唯一的分配锁的“东西”，当每个系统需要加锁时，都向其获取一把锁，使不同的系统获取到的内容可以认为是同一把锁。

当前分布式加锁主要有三种方式：（磁盘）数据库、缓存数据库、Zookeeper。

使用DCS服务中Redis缓存实例实现分布式加锁，有几大优势：

加锁操作简单，使用SET、GET、DEL等几条简单命令即可实现锁的获取和释放。
性能优越，缓存数据的读写优于磁盘数据库与Zookeeper。
可靠性强，DCS有主备和集群实例类型，避免单点故障。

对分布式应用加锁，能够避免出现库存超卖及无序访问等现象。本实践介绍如何使用Redis对分布式应用加锁。

前提条件

已创建DCS缓存实例，且状态为“运行中”。
客户端所在服务器与DCS缓存实例网络互通：
- 客户端与Redis实例所在VPC为同一VPC
  同一VPC内网络默认互通。
- 客户端与Redis实例所在VPC为相同region下的不同VPC
  如果客户端与Redis实例不在相同VPC中，可以通过建立VPC对等连接方式连通网络，具体请参考：缓存实例是否支持跨VPC访问？。
- 客户端与Redis实例所在VPC不在相同region
  如果客户端服务器和Redis实例不在同一region，仅支持通过云专线打通网络，请参考云专线。
- 公网访问
   客户端公网访问Redis 4.0/5.0/6.0实例请参考使用Nginx实现公网访问DCS或使用华为云ELB公网访问DCS。
客户端所在的服务器已安装JDK1.8以上版本和开发工具（本文档以安装Eclipse为例），下载jedis客户端（单击此处直接下载jar包）。
本文档下载的开发工具和客户端仅为示例，您可以选择其它类型的工具和客户端。

实施步骤

在服务器上运行Eclipse，创建一个java工程，为示例代码分别创建一个分布式锁实现类DistributedLock.java和测试类CaseTest.java，并将jedis客户端作为library引用到工程中。

创建的分布式锁实现类DistributedLock.java内容示例如下：

package dcsDemo01;

import java.util.UUID;

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.params.SetParams;

public class DistributedLock {
    // Redis实例连接地址和端口，需替换为实际获取的值
    private final String host = "192.168.0.220";
    private final int port = 6379;

    private static final String SUCCESS = "OK";

    public  DistributedLock(){}

    /*
     * @param lockName      锁名
     * @param timeout       获取锁的超时时间
     * @param lockTimeout   锁的有效时间
     * @return              锁的标识
     */
    public String getLockWithTimeout(String lockName, long timeout, long lockTimeout) {
        String ret = null;
        Jedis jedisClient = new Jedis(host, port);

        try {
            // Redis实例连接密码，需替换为实际获取的值
            String authMsg = jedisClient.auth("passwd");
            if (!SUCCESS.equals(authMsg)) {
                System.out.println("AUTH FAILED: " + authMsg);
            }

            String identifier = UUID.randomUUID().toString();
            String lockKey = "DLock:" + lockName;
            long end = System.currentTimeMillis() + timeout;

            SetParams setParams = new SetParams();
            setParams.nx().px(lockTimeout);

            while(System.currentTimeMillis() < end) {
                String result = jedisClient.set(lockKey, identifier, setParams);
                if(SUCCESS.equals(result)) {
                    ret = identifier;
                    break;
                }

                try {
                    Thread.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        }
        catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            jedisClient.quit();
            jedisClient.close();
        }

        return ret;
    }

    /*
     * @param lockName        锁名
     * @param identifier    锁的标识
     */
    public void releaseLock(String lockName, String identifier) {
        Jedis jedisClient = new Jedis(host, port);

        try {
            String authMsg = jedisClient.auth("passwd");
            if (!SUCCESS.equals(authMsg)) {
                System.out.println("AUTH FAILED: " + authMsg);
            }

            String lockKey = "DLock:" + lockName;
            if(identifier.equals(jedisClient.get(lockKey))) {
                jedisClient.del(lockKey);
            }
        }
        catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            jedisClient.quit();
            jedisClient.close();
        }
    }
}

该代码实现仅展示使用DCS服务进行加锁访问的便捷性。具体技术实现需要考虑死锁、锁的检查等情况，这里不做详细说明。

假设20个线程对10台mate10手机进行抢购，创建的测试类CaseTest.java类内容示例如下：

package dcsDemo01;
import java.util.UUID;

public class CaseTest {
    public static void main(String[] args) {
        ServiceOrder service = new ServiceOrder();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            ThreadBuy client = new ThreadBuy(service);
            client.start();
        }
    }
}

class ServiceOrder {
    private final int MAX = 10;

    DistributedLock DLock = new DistributedLock();

    int n = 10;

    public void handleOder() {
        String userName = UUID.randomUUID().toString().substring(0,8) + Thread.currentThread().getName();
        String identifier = DLock.getLockWithTimeout("Mate 10", 10000, 2000);
        System.out.println("正在为用户：" + userName + " 处理订单");
        if(n > 0) {
            int num = MAX - n + 1;
            System.out.println("用户："+ userName + "购买第" + num + "台，剩余" + (--n) + "台");
        }else {
            System.out.println("用户："+ userName + "无法购买！");
        }
        DLock.releaseLock("Mate 10", identifier);
    }
}

class ThreadBuy extends Thread {
    private ServiceOrder service;

    public ThreadBuy(ServiceOrder service) {
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.handleOder();
    }
}

将DCS缓存实例的连接地址、端口以及连接密码配置到分布式锁实现类DistributedLock.java示例代码文件中。

在DistributedLock.java中，host及port配置为实例的连接地址及端口号，在getLockWithTimeout、releaseLock方法中需配置passwd值为实例访问密码。

将测试类CaseTest中加锁部分注释掉，变成无锁情况，示例如下：

//测试类中注释两行用于加锁的代码：
public void handleOder() {
    String userName = UUID.randomUUID().toString().substring(0,8) + Thread.currentThread().getName();
    //加锁代码
    //String identifier = DLock.getLockWithTimeout("Mate 10", 10000, 2000);
    System.out.println("正在为用户：" + userName + " 处理订单");
    if(n > 0) {
        int num = MAX - n + 1;
        System.out.println("用户："+ userName + "够买第" + num + "台，剩余" + (--n) + "台");
    }else {
        System.out.println("用户："+ userName + "无法够买！");
    }
    //加锁代码
    //DLock.releaseLock("Mate 10", identifier);
}

编译及运行无锁的类，运行结果是抢购无序的，如下：

正在为用户：e04934ddThread-5 处理订单
正在为用户：a4554180Thread-0 处理订单
用户：a4554180Thread-0购买第2台，剩余8台
正在为用户：b58eb811Thread-10 处理订单
用户：b58eb811Thread-10购买第3台，剩余7台
正在为用户：e8391c0eThread-19 处理订单
正在为用户：21fd133aThread-13 处理订单
正在为用户：1dd04ff4Thread-6 处理订单
用户：1dd04ff4Thread-6购买第6台，剩余4台
正在为用户：e5977112Thread-3 处理订单
正在为用户：4d7a8a2bThread-4 处理订单
用户：e5977112Thread-3购买第7台，剩余3台
正在为用户：18967410Thread-15 处理订单
用户：18967410Thread-15购买第9台，剩余1台
正在为用户：e4f51568Thread-14 处理订单
用户：21fd133aThread-13购买第5台，剩余5台
用户：e8391c0eThread-19购买第4台，剩余6台
正在为用户：d895d3f1Thread-12 处理订单
用户：d895d3f1Thread-12无法购买！
正在为用户：7b8d2526Thread-11 处理订单
用户：7b8d2526Thread-11无法购买！
正在为用户：d7ca1779Thread-8 处理订单
用户：d7ca1779Thread-8无法购买！
正在为用户：74fca0ecThread-1 处理订单
用户：74fca0ecThread-1无法购买！
用户：e04934ddThread-5购买第1台，剩余9台
用户：e4f51568Thread-14购买第10台，剩余0台
正在为用户：aae76a83Thread-7 处理订单
用户：aae76a83Thread-7无法购买！
正在为用户：c638d2cfThread-2 处理订单
用户：c638d2cfThread-2无法购买！
正在为用户：2de29a4eThread-17 处理订单
用户：2de29a4eThread-17无法购买！
正在为用户：40a46ba0Thread-18 处理订单
用户：40a46ba0Thread-18无法购买！
正在为用户：211fd9c7Thread-9 处理订单
用户：211fd9c7Thread-9无法购买！
正在为用户：911b83fcThread-16 处理订单
用户：911b83fcThread-16无法购买！
用户：4d7a8a2bThread-4购买第8台，剩余2台

取消测试类CaseTest中注释的加锁内容，编译并运行得到有序的抢购结果如下：

正在为用户：eee56fb7Thread-16 处理订单
用户：eee56fb7Thread-16购买第1台，剩余9台
正在为用户：d6521816Thread-2 处理订单
用户：d6521816Thread-2购买第2台，剩余8台
正在为用户：d7b3b983Thread-19 处理订单
用户：d7b3b983Thread-19购买第3台，剩余7台
正在为用户：36a6b97aThread-15 处理订单
用户：36a6b97aThread-15购买第4台，剩余6台
正在为用户：9a973456Thread-1 处理订单
用户：9a973456Thread-1购买第5台，剩余5台
正在为用户：03f1de9aThread-14 处理订单
用户：03f1de9aThread-14购买第6台，剩余4台
正在为用户：2c315ee6Thread-11 处理订单
用户：2c315ee6Thread-11购买第7台，剩余3台
正在为用户：2b03b7c0Thread-12 处理订单
用户：2b03b7c0Thread-12购买第8台，剩余2台
正在为用户：75f25749Thread-0 处理订单
用户：75f25749Thread-0购买第9台，剩余1台
正在为用户：26c71db5Thread-18 处理订单
用户：26c71db5Thread-18购买第10台，剩余0台
正在为用户：c32654dbThread-17 处理订单
用户：c32654dbThread-17无法购买！
正在为用户：df94370aThread-7 处理订单
用户：df94370aThread-7无法购买！
正在为用户：0af94cddThread-5 处理订单
用户：0af94cddThread-5无法购买！
正在为用户：e52428a4Thread-13 处理订单
用户：e52428a4Thread-13无法购买！
正在为用户：46f91208Thread-10 处理订单
用户：46f91208Thread-10无法购买！
正在为用户：e0ca87bbThread-9 处理订单
用户：e0ca87bbThread-9无法购买！
正在为用户：f385af9aThread-8 处理订单
用户：f385af9aThread-8无法购买！
正在为用户：46c5f498Thread-6 处理订单
用户：46c5f498Thread-6无法购买！
正在为用户：935e0f50Thread-3 处理订单
用户：935e0f50Thread-3无法购买！
正在为用户：d3eaae29Thread-4 处理订单
用户：d3eaae29Thread-4无法购买！

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