深入理解冪等技術

JavaDog發表於2019-03-03

什麼是冪等

冪等（idempotent）是一個數學與計算機學概念，常見於抽象代數中。

在程式設計中，一個冪等操作的特點是，其任意多次執行所產生的影響均與一次執行的影響相同。冪等函式，或冪等方法，是指可以使用相同引數重複執行，並能獲得相同結果的函式。冪等函式可以改變系統的狀態。例如，setTrue()就是一個冪等函式，因為無論執行多少次，其結果都是一樣的。

冪等的場景有很多，例如：

前端重複提交選中的資料，後臺只產生對應這個資料的一個反應結果；
我們發起一筆付款請求，應該只扣使用者賬戶一次錢，當遇到網路重發或系統bug重發，也應該只扣一次錢；
傳送訊息，也應該只發一次，同樣的簡訊發給使用者，使用者會崩潰；
建立業務訂單，一次業務請求只能建立一個，建立多個就會出大問題。

冪等的技術手段

冪等並不是併發場景下的特有問題。冪等處理的是多次執行的問題，而併發僅僅是多次執行的一種形式。不管是依次執行，還是併發執行，都需要做好冪等。有些技術人員將解決併發問題的技術手段，例如悲觀鎖、樂觀鎖和分散式鎖，當成冪等的技術手段，這是不對的。

再次強調，冪等的核心是確保唯一性。

唯一索引

在資料庫中建立唯一索引，用作冪等記錄，可以防止插入重複的資料。在冪等函式中，先執行一次查詢操作，如存在冪等記錄則返回第一次執行的結果，如不存在冪等記錄則繼續執行。在併發場景下，可能存在多個執行緒同時插入冪等記錄，這時候唯一索引可以確保只有一個執行緒插入成功，其它執行緒丟擲異常。

除了插入冪等記錄，應該還要插入其它的業務資料，這個時候務必使用事務。在實際工作中，冪等記錄與事務經常同時出現，如影相隨。

唯一資料

使用redis、memcache和zookeeper都可以實現唯一資料，這裡僅用redis的SETNX舉例。筆者從redis的官方文件摘抄了SETNX的用法，如下所示。

SETNX key value將 key 的值設為 value ，當且僅當 key 不存在。若給定的 key 已經存在，則 SETNX 不做任何動作。SETNX 是『SET if Not eXists』(如果不存在，則 SET)的簡寫。可用版本：>
= 1.0.0時間複雜度：O(1)返回值：設定成功，返回 1 。設定失敗，返回 0 。複製程式碼

在冪等函式中，將唯一標識作為key，任取value，呼叫SETNX。如果返回1，說明當前是第一次執行，繼續執行冪等函式；如果返回0，取出第一次執行的結果並返回給呼叫方。在併發場景下，可能因尚未完成第一次執行而取不到結果，這時候可以稍作等待。

除了redis、memcache和zookeeper，還有其它手段可以實現唯一資料，讀者可自行探索。只要可以實現唯一資料，就可以用來做冪等。

狀態機約束

在單據相關的業務，或者是任務相關的業務，基本會涉及到狀態機。業務單據上面有個狀態，這個狀態根據一個有限狀態機進行跳轉。如果狀態機已經處於下一個狀態，這時候是不能往回跳轉到上一個狀態的。通過狀態機的跳轉約束，可以做到有限狀態機的冪等。

冪等的場景

冪等經常與事務同時出現，而事務適合小任務場景、不適合大任務場景，因此筆者將冪等場景分為以下兩類進行介紹。為了方便描述，我們假設bizId可以唯一標識一筆業務。

小任務場景

這個場景的處理方式很簡單，可以追求強一致性。在冪等函式中，先判斷冪等記錄是否存在。如果存在，直接返回；如果不存在，開啟一個事務。在事務中，採用任務名+bizId作為冪等組合欄位，插入冪等記錄和業務資料。它的流程圖如下。

大任務場景

在大任務場景下，需要將大任務拆成多個小任務分別執行。在每個小任務中，都可以有事務。但是，沒有事務保證所有的小任務同時成功。因此，存在部分成功的場景。針對部分成功的場景，可以利用重試機制做到最終一致性。重試機制意味著多次執行，回到了冪等問題。這裡只介紹需要冪等的場景。如果同時存在需要冪等和不需要冪等的場景，請加入一個判斷標。