如何保證介面的冪等性？常見的實現方案有哪些？

Andrew.J發表於2020-12-07

冪等性問題是面試中常見的面試問題，也是分散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，連續點選了兩次支付，但此時伺服器沒做任何驗證，於是老王賬戶裡面的錢被扣了兩次，這顯然對當事人造成了一定的經濟損失，並且還會讓使用者喪失對平臺的信任。而冪等性問題說的就是如何防止介面的重複無效請求。

什麼是冪等性？如何保證介面的冪等性？

典型回答

冪等性最早是數學裡面的一個概念，後來被用於計算機領域，用於表示任意多次請求均與一次請求執行的結果相同，也就是說對於一個介面而言，無論呼叫了多少次，最終得到的結果都是一樣的。比如以下程式碼：

public class IdempotentExample {

    // 變數

    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);

    }

}

對於變數 count 來說，如果重複呼叫 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() 方法只是用來列印控制檯資訊的。因此，它無論呼叫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

●使用資料庫實現冪等性

●使用 JVM 鎖實現冪等性

●使用分散式鎖實現冪等性

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，比如在使用者點選完“提交”按鈕後，我們可以把按鈕設定為不可用或者隱藏狀態，避免使用者重複點選。

執行效果如下圖所示：

在這裡插入圖片描述
按鈕點選效果圖

核心的實現程式碼如下：

<script>

    function subCli(){

        // 按鈕設定為不可用

        document.getElementById("btn_sub").disabled="disabled";

        document.getElementById("dv1").innerText = "按鈕被點選了~";

    }

</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，如果是懂行的程式設計師或者黑客可以直接繞過頁面的 JS 執行，直接模擬請求後端的介面，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，後端的驗證必不可少。

2. 資料庫實現

資料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 提供的內建鎖如 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 對程式碼段進行加鎖操作，然後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，處理完成之後提交事務並釋放鎖，執行流程如下圖所示：

在這裡插入圖片描述
JVM 鎖執行流程圖

JVM 鎖存在的最大問題在於，它只能應用於單機環境，因為 Lock 本身為單機鎖，所以它就不適應於分散式多機環境。

4. 分散式鎖實現

分散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散式鎖，如果可以，則表示為第一次執行方法，否則直接捨棄請求即可，執行流程如下圖所示：

在這裡插入圖片描述
分散式鎖執行流程圖

需要注意的是分散式鎖的 key 必須為業務的唯一標識，我們通常使用 Redis 或者 ZooKeeper 來實現分散式鎖；如果使用 Redis 的話，則用 set 命令來建立和獲取分散式鎖，執行示例如下：

127.0.0.1:6379> set lock true ex 30 nx

OK # 建立鎖成功

其中，ex 是用來設定超時時間的；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”，則表示建立鎖成功，否則表示重複請求，應該捨棄。

冪等性問題看似“高大上”其實說白了就是如何避免重複請求提交的問題，出於安全性的考慮，我們必須在前後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，但考慮到分散式系統情況，我們應該優先使用分散式鎖來實現。

●冪等性需要注意什麼問題？

●實現冪等性的關鍵步驟有哪些？

●說一說資料庫實現冪等性的執行細節？

知識擴充套件

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，因此不應該給每個介面都增加冪等性判斷，要根據實際的業務情況和操作型別來進行區分。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資料進行刪除（這裡的刪除指的是條件刪除而不是刪除所有資料），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：

●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；

●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；

●第一次業務處理完成之後，要把此業務處理的狀態進行儲存，比如儲存到 Redis 中或者是資料庫中，這樣才能防止業務被重複處理。

3. 資料庫實現冪等性

使用資料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，首先來判斷資料的狀態，執行 SQL 如下：

select status from table_name where id='xxx';

然後再進行新增操作：

insert into table_name (id) values ('xxx');

最後再進行狀態的修改：

update table_name set status='xxx';

但這種情況因為是非原子操作，所以在高併發環境下可能會造成一個業務被執行兩次的問題，當一個程式在執行中時，而另一個程式也開始狀態判斷的操作。因為第一個程式還未來得及更改狀態，所以第二個程式也能執行成功，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.新增操作

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 資料庫，必須選用 innodb 儲存引擎，因為 innodb 支援事務；

●id 欄位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

我們可以建立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，因為唯一欄位就是業務的 ID，因此如果重複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複提交的請求。

唯一索引表的建立示例如下：

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

樂觀鎖是指在執行資料操作時（更改或新增）進行加鎖操作，其他時間不加鎖，因此相比於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式正常執行，還可以杜絕一些垃圾資料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、資料庫悲觀鎖實現、資料唯一索引實現、資料庫樂觀鎖實現、JVM 鎖實現，以及分散式鎖的實現等方案，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。因此後端一定要實現冪等性處理，推薦的做法是使用分散式鎖來實現，這樣的解決方案更加通用。

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