Redis优化高并发下的秒杀性能

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本文内容

使用 Redis 优化高并发场景下的接口性能
数据库乐观锁

随着双 11 的临近，各种促销活动开始变得热门起来，比较主流的有秒杀、抢优惠券、拼团等等。

涉及到高并发争抢同一个资源的主要场景有秒杀和抢优惠券。

活动规则

奖品数量有限，比如 100 个
不限制参与用户数
每个用户只能参与 1 次秒杀

活动要求

不能多发，也不能少发，100 个奖品要全部发出去
1 个用户最多抢 1 个奖品
遵循先到先得原则，先来的用户有奖品

悲观锁性能太差，本文不予讨论，讨论一下使用乐观锁解决高并发问题的优缺点。

ID	Code	UserId	CreatedAt	RewardAt
奖品 ID	奖品码	用户 ID	创建时间	中奖时间

未中奖时 UserId 为 0，RewardAt 为 NULL
中奖时 UserId 为中奖用户 ID，RewardAt 为中奖时间

乐观锁实际上并不存在真正的锁，乐观锁是利用数据的某个字段来做的，比如本文的例子就是以 UserId 来实现的。

实现流程如下：

查询 UserId 为 0 的奖品，如果未找到则提示无奖品
```
SELECT * FROM envelope WHERE user_id=0 LIMIT 1
```
更新奖品的用户 ID 和中奖时间(假设奖品 ID 为 1，中奖用户 ID 为 100，当前时间为 2019-10-29 12:00:00)，这里的 user_id= 0 就是我们的乐观锁了。
```
UPDATE envelope SET user_id=100, reward_at='2019-10-29 12:00:00' WHERE user_id=0 AND id=1
```
检测 UPDATE 语句的执行返回值，如果返回 1 证明中奖成功，否则证明该奖品被其他人抢了

正常情况下获取奖品、然后把奖品更新给指定用户是没问题的。如果不添加 user_id= 0 时，高并发场景下会出现下面的问题：

两个用户同时查询到了 1 个未中奖的奖品(发生并发问题)
将奖品的中奖用户更新为用户 1，更新条件只有 ID= 奖品 ID
上述 SQL 执行是成功的，影响行数也是 1，此时接口会返回用户 1 中奖
接下来将中奖用户更新为用户 2，更新条件也只有 ID= 奖品 ID
由于是同一个奖品，已经发给用户 1 的奖品会重新发放给用户 2，此时影响行数为 1，接口返回用户 2 也中奖
所以该奖品的最终结果是发放给用户 2
用户 1 就会过来投诉活动方了，因为抽奖接口返回用户 1 中奖，但他的奖品被抢了，此时活动方只能赔钱了

更新用户 1 时的条件为id= 红包 ID AND user_id=0 , 由于此时红包未分配给任何人，用户 1 更新成功，接口返回用户 1 中奖
当更新用户 2 时更新条件为id= 红包 ID AND user_id=0，由于此时该红包已经分配给用户 1 了，所以该条件不会更新任何记录，接口返回用户 2 中奖

优点

性能尚可，因为无锁
不会超发

缺点

通常不满足“先到先得”的活动规则，一旦发生并发，就会发生未中奖的情况，此时奖品库还有奖品

在 MacBook Pro 2018 上的压测表现如下(Golang 实现的 HTTP 服务器,MySQL 连接池大小 100，Jmeter 压测)：

500 并发 500 总请求数平均响应时间 331ms 发放成功数为 31 吞吐量 458.7/s

可以看到乐观锁的实现下争抢比太高，不是推荐的实现方法，下面通过 Redis 来优化这个秒杀业务。

单线程省去了线程切换开销
基于内存的操作虽然持久化操作涉及到硬盘访问，但是那是异步的，不会影响 Redis 的业务
使用了 IO 多路复用

活动开始前将数据库中奖品的 code 写入 Redis 队列中
活动进行时使用 lpop 弹出队列中的元素

如果获取成功，则使用 UPDATE 语法发放奖品

UPDATE reward SET user_id= 用户 ID,reward_at= 当前时间 WHERE code='奖品码'

如果获取失败，则当前无可用奖品，提示未中奖即可

使用 Redis 的情况下并发访问是通过 Redis 的 lpop() 来保证的，该方法是原子方法，可以保证并发情况下也是一个个弹出的。

在 MacBook Pro 2018 上的压测表现如下(Golang 实现的 HTTP 服务器,MySQL 连接池大小 100，Redis 连接池代销 100，Jmeter 压测)：

500 并发 500 总请求数平均响应时间 48ms 发放成功数 100 吞吐量 497.0/s

可以看到 Redis 的表现是稳定的，不会出现超发，且访问延迟少了 8 倍左右，吞吐量还没达到瓶颈，可以看出 Redis 对于高并发系统的性能提升是非常大的！接入成本也不算高，值得学习！

// main.go
package main

import (
    "fmt"
    "github.com/go-redis/redis"
    _ "github.com/go-sql-driver/mysql"
    "github.com/jinzhu/gorm"
    "log"
    "net/http"
    "strconv"
    "time"
)

type Envelope struct {
    Id        int `gorm:"primary_key"`
    Code      string
    UserId    int
    CreatedAt time.Time
    RewardAt  *time.Time
}

func (Envelope) TableName() string {return "envelope"}

func (p *Envelope) BeforeCreate() error {p.CreatedAt = time.Now()
    return nil
}

const (
    QueueEnvelope = "envelope"
    QueueUser     = "user"
)

var (
    db          *gorm.DB
    redisClient *redis.Client
)

func init() {
    var err error
    db, err = gorm.Open("mysql", "root:root@tcp(localhost:3306)/test?charset=utf8&parseTime=True&loc=Local")
    if err != nil {log.Fatal(err)
    }
    if err = db.DB().Ping(); err != nil {log.Fatal(err)
    }
    db.DB().SetMaxOpenConns(100)
    fmt.Println("database connected. pool size 10")
}

func init() {
    redisClient = redis.NewClient(&redis.Options{
        Addr:     "localhost:6379",
        DB:       0,
        PoolSize: 100,
    })
    if _, err := redisClient.Ping().Result(); err != nil {log.Fatal(err)
    }
    fmt.Println("redis connected. pool size 100")
}

// 读取 Code 写入 Queue
func init() {envelopes := make([]Envelope, 0, 100)
    if err := db.Debug().Where("user_id=0").Limit(100).Find(&envelopes).Error; err != nil {log.Fatal(err)
    }
    if len(envelopes) != 100 {log.Fatal("不足 100 个奖品")
    }
    for i := range envelopes {if err := redisClient.LPush(QueueEnvelope, envelopes[i].Code).Err(); err != nil {log.Fatal(err)
        }
    }
    fmt.Println("load 100 envelopes")
}

func main() {http.HandleFunc("/envelope", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {uid := r.Header.Get("x-user-id")
        if uid == "" {w.WriteHeader(401)
            _, _ = fmt.Fprint(w, "UnAuthorized")
            return
        }
        uidValue, err := strconv.Atoi(uid)
        if err != nil {w.WriteHeader(400)
            _, _ = fmt.Fprint(w, "Bad Request")
            return
        }
        // 检测用户是否抢过了
        if result, err := redisClient.HIncrBy(QueueUser, uid, 1).Result(); err != nil || result != 1 {w.WriteHeader(429)
            _, _ = fmt.Fprint(w, "Too Many Request")
            return
        }
        // 检测是否在队列中
        code, err := redisClient.LPop(QueueEnvelope).Result()
        if err != nil {w.WriteHeader(200)
            _, _ = fmt.Fprint(w, "No Envelope")
            return
        }
        // 发放红包
        envelope := &Envelope{}
        err = db.Where("code=?", code).Take(&envelope).Error
        if err == gorm.ErrRecordNotFound {w.WriteHeader(200)
            _, _ = fmt.Fprint(w, "No Envelope")
            return
        }
        if err != nil {w.WriteHeader(500)
            _, _ = fmt.Fprint(w, err)
            return
        }
        now := time.Now()
        envelope.UserId = uidValue
        envelope.RewardAt = &now
        rowsAffected := db.Where("user_id=0").Save(&envelope).RowsAffected // 添加 user_id= 0 来验证 Redis 是否真的解决争抢问题
        if rowsAffected == 0 {fmt.Printf("发生争抢. id=%d\n", envelope.Id)
            w.WriteHeader(500)
            _, _ = fmt.Fprintf(w, "发生争抢. id=%d\n", envelope.Id)
            return
        }
        _, _ = fmt.Fprint(w, envelope.Code)
    })

    fmt.Println("listen on 8080")
    fmt.Println(http.ListenAndServe(":8080", nil))
}

前提

数据库实现

数据库结构

乐观锁实现

为什么要添加乐观锁

添加乐观锁之后的抽奖流程

乐观锁优缺点

压测

Redis 实现

Redis 高性能的原因

实现流程

压测

结论

实验代码

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