并发场景下数据写入功能的实现

1. 准备工作

1.1 理论基础

并发时写数据，需要考虑要不要上锁，根本原因是，数据存在共享且数据会发生变化，即多线程会同时读写同一数据。 若数据不存在共享，即不同的线程读写不同的数据，不需要上锁； 若数据共享，所有线程对数据只读不写，也不需要上锁 若数据共享，有的线程读数据，有的线程写数据，则需要上锁。

当多个线程同时访问同一数据，并且至少有一个线程会写这个数据，这种情况被称之为“数据竞争”。

并发场景下，锁的作用，是并发改为串行，以保证数据的一致性（更具体而言，通过上锁，解决了并发执行程序时的原子性、可见性和有序性问题，有兴趣的同学可以近一步深入相关理论，本文以实战为主，不在展开）。

故，在并发场景下读写数据，首先要分析是否存在“数据竞争”问题，若存在，需要“上锁”。数据竞争如果发生在本地应用中，则用本地锁；如果发生在分布式服务间中，则使用分布式锁；本地锁和分布式锁在原理上相同，不用分别讨论。

锁相关技术，有“悲观锁”和“乐观锁”两种。

（1）悲观锁

我们通常说的锁，如无特殊说明，就是指“悲观锁”。它是通过一些技术手段，实现线程或服务间的互斥和同步，其使用时，有显示（或隐式）的锁持有/释放操作。 由于上锁本身要损耗性能，上锁后并发处理变成串行，故上锁是比较影响系统性能的操作；且锁的应用不当，会潜在死锁/活锁风险；故悲观锁的使用要慎重。

（2）乐观锁

乐观锁通常又叫“无锁技术”，它不是通过“上锁”把并发改串行的方式保证数据一致性，而是通过CAS(Compare And Swap)方式来实现，由于CAS通常很快，该过程也不用“上锁”，性能损耗少。不过，通过CAS并发写数据时，通常伴有“自旋”，即当出现多个写并发时，只有一个能写入成功，其他要自旋后再次写入，直至写入成功或因超时/超过重试次数失败。 自旋会带来性能开销，频繁自旋的性能开销会超过上锁。故乐观锁通常用在并发不太激烈的场景中，且在该场景下性能比悲观锁要好，而在高并发场景下，建议使用悲观锁。

1.2 业务场景及分析

本文主题是介绍并发写数据的几种方案，为此，我们先确立几个常用的业务场景，并做简单分析。

写数据，我们讨论最常见的把数据写入数据库的场景，主要包括新建数据和修改数据两种具体场景，两个场景不完全一致，分别讨论。

（1） 往数据库写新数据

往数据库里写信数据时，如果数据直接相互独立，即不存在“数据竞争”，则按照1.1节的理论，此时不需要考虑锁的问题。

对于存在“数据竞争”的场景，我们考虑写入流水码的场景：假设创建数据有个编码字段，形如“CON_0001”，其后半段的“0001”是流水码，需要根据当前最大的流水码+1 来计算待创建数据的流水码。这里存在数据范围的竞争，并发创建数据时，如果不做并发控制，会创建多个编码相同的数据。

（2）更新数据库记录

并发更新数据库记录时，如果可以确保各并发请求要更新的数据各不相同，则不存在“数据竞争”，不需要上锁；而并发更新同一数据记录时，如果不做并发控制，可能出现一个写请求覆盖另一个写请求的情况，导致最终结果错误。

这里我们考虑“访问量+1”的场景，即设计一个访问量表，每次请求给访问量+1，如当前访问量为5，若5个并发请求同时为该记录+1，正确的结果为10，但如果不加并发控制，结果通常会<10。

2. 并发插入流水码的实现方案

2.1 业务逻辑分析

业务逻辑如下：

  1. 取出当前数据库中流水码最大的一条记录
  2. 从编码字段中解析出当前最大流水码
  3. 流水码+1，创建新纪录入库

代码实现即：

private Integer addEntity() {
        ConcurrentEntity entity = dataMapper.getLatestConcurrentEntity();
        int nextNumber = entity == null ? 1 : getNextNumberByCode(entity.getCode());
        String code = String.format("CON_%04d", nextNumber);
        return dataMapper.insertConcurrentEntity(new ConcurrentEntity(code));
    }

private int getNextNumberByCode(String code) {
        int index = code.lastIndexOf("_");
        String number = code.substring(index + 1);
        return Integer.parseInt(number) + 1;
    }

该业务在并发场景下，主要存在原子性隐患，即 addEntity() 中的代码，需要作为一个整体全部执行完，若多个线程交替执行执行逐行代码，某个线程读取到最新流水码后，该码被其他线程改了，本线程不可知，导致写入错误数据。

故本业务场景的并发中，主要避免原子性和可见性问题，最直接的方式，是通过上锁解决。

2.2 实现方案

2.2.1 方案1：在代码中上锁

private final Lock lock = new ReentrantLock(false);


    public Integer addEntityByLock() {
        synchronized (this) {
            return addEntity();
        }
    }

    public Integer addEntityByLock2() {
        lock.lock();
        try {
            return addEntity();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

在分布式系统中，lock可以用redisson或curator提供的分布式锁进行实例化。

2.2.2 方案2: 在数据库中上锁

锁除了可以在代码中用，也可以直接用到数据库上， select ... for update 语句即可在数据库中上写锁，另由于业务执行的原子性问题，需要把 addEntity() 中的逻辑放到同一个事务中去。

@Transactional(isolation = Isolation.REPEATABLE_READ)
    public Integer addEntityByTransactionWithLock() {
        return addEntity();
    }

这里的事务隔离级别，选择RC或RR均可。

注，这个实现中，addEntity()中对 ConcurrentEntity 的查询，改成了加锁读的方式：

@Select("SELECT * FROM concurrent_entity\n" +
            "ORDER BY code DESC\n" +
            "LIMIT 1\n" +
            "FOR UPDATE;")
    ConcurrentEntity getLatestConcurrentEntityWithWriteLock();

2.2.3 性能对比

对于1000个并发请求，三种方法性能对比如下：

executeConcurrentAddByLock1: 1000 并发，花费时间 1179 ms
executeConcurrentAddByLock2: 1000 并发，花费时间 863 ms
executeConcurrentAddByTransactionWithLock: 1000 并发，花费时间 1284 ms

2.3 其他方案

本业务场景中，由于流水码的计算，存在数据竞争问题，所以并发时需要上锁，如果能避免数据竞争，就可以避免并发问题。针对本案例，可以把流水码获取的逻辑放到redis中去，redis本身是单线程的，避免了流水码的数据竞争，进而避免了上锁的开销，而redis本身又是高性能的，故这个方案理论上比上述方案的性能只高不低。

3. 并发更新访问量的实现方案

3.1 业务分析

并发更新数据库中的访问量时，存在的“数据竞争”问题，也是“原子性”隐患。如果更新本身是一个原子操作，则不存在并发问题；如果更新操作分两步，先读取当前数据，然后+1后重新写入，则该操作不是原子的，需要上锁。

3.2 实现方案

3.2.1 方案1: 原子更新

public Integer increaseVisitCountAtomically(int id) {
        return dataMapper.increaseConcurrentVisitAtomic(id);
    }

@Update("UPDATE concurrent_visit\n" +
            "SET visit = visit + 1, update_time = NOW()\n" +
            "WHERE id = #{id};")
    Integer increaseConcurrentVisitAtomic(int id);

3.2.2 方案2: 代码中上锁

public Integer increaseVisitCountByLock(int id) {
        synchronized (this) {
            return increaseVisitCount(id);
        }
    }

 private Integer increaseVisitCount(int id) {
        ConcurrentVisit concurrentVisit = dataMapper.getConcurrentVisitObject(id);
        concurrentVisit.increaseVisit().updateUpdateTime();
        return dataMapper.updateConcurrentVisit(concurrentVisit);
    }

3.2.3 方案3: 数据库中上锁

@Transactional()
    public Integer increaseVisitCountByTransaction(int id) {
        return increaseVisitCount(id, true);
    }

    private Integer increaseVisitCount(int id, boolean withLock) {
        ConcurrentVisit concurrentVisit = withLock ? dataMapper.getConcurrentVisitObjectWithLock(id)
                : dataMapper.getConcurrentVisitObject(id);
        return dataMapper.increaseConcurrentVisit(concurrentVisit.increaseVisit().updateUpdateTime());
    }

    @Select("SELECT * FROM concurrent_visit\n" +
            "WHERE id = #{id}\n" +
            "FOR UPDATE;")
    ConcurrentVisit getConcurrentVisitObjectWithLock(int id);

3.2.4 方案4: 使用乐观锁

使用乐观锁时，需要一个递增的版本字段（ version ），每次update 成功时，version都要 +1，version要作为更新前的compare字段，若当前读到的version与数据库中的version不一致，则更新失败。

public Integer increaseVisitCountOptimistically(int id) {
        ConcurrentVisit concurrentVisit = dataMapper.getConcurrentVisitObject(id);
        return dataMapper.increaseConcurrentVisitOptimistically(concurrentVisit.increaseVisit().updateUpdateTime());
    }

    @Update("UPDATE concurrent_visit\n" +
            "SET visit = #{visit}, update_time = #{updateTime}, version = #{version} + 1\n" +
            "WHERE id = #{id} and version = #{version};")
    Integer increaseConcurrentVisitOptimistically(ConcurrentVisit concurrentVisit);

使用乐观锁时，compare不一致，会更新失败，这时需要自旋重试，故上述代码可以优化为：

public Integer increaseVisitCountOptimisticallyWithRetry(int id) {
        int result = 0;
        int maxRetry = 5;
        long interval = 20L;

        for (int i = 0; i < maxRetry; i++) {
            result = increaseVisitCountOptimistically(id);
            if (result > 0) {
                break;
            }
            interval = interval + i * 50;
            helper.sleep(interval);

        }
        return result;
    }

3.2.5 性能比较

发起10000个并发更新操作，结果如下：

executeConcurrentAddAtomically: 10000 并发，花费时间 2112 ms
executeConcurrentAddByLock: 10000 并发，花费时间 5796 ms
executeConcurrentAddByTransaction: 10000 并发，花费时间 3902 ms
executeConcurrentAddOptimisticallyWithRetry: 10000 并发，花费时间 5998 ms

mysql> select * from concurrent_visit;
+----+-------------+-------+---------+---------------------+---------------------+
| id | resourceKey | visit | version | create_time         | update_time         |
+----+-------------+-------+---------+---------------------+---------------------+
|  1 | resource1   | 39925 |    9925 | 2022-03-31 11:42:54 | 2022-04-01 12:06:36 |
+----+-------------+-------+---------+---------------------+---------------------+

可以看到：

  1. 并发比较激烈时，乐观锁性能最差，而且有些请求，即使超过了最大重试次数，也没更新成功
  2. 把锁上在数据库中，性能比所在代码上还要好，原因是，数据库上的锁是经过充分的性能优化的，而且锁的颗粒度更小，而我们这个业务场景下，代码中锁的颗粒度已经很难再缩小了。锁的颗粒度，决定了并发程度，并发场景下，锁的颗粒度越小越好

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