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浅谈 — 分布式系统中的幂等性

news 2025/2/22 2:20:08

一.幂等性

什么是幂等性？

在计算机科学和数学领域中，” 幂等性 “虽然源于相同的概念，但其应用和具体含义有所不同

在数学中：幂等性是一个代数性质，描述的是一个操作或函数在多次应用后结果不变的特性

在分布式系统中：幂等性是一个重要的设计原则，它描述的是对某一资源发起一次请求和多次请求，其产生的效果都是相同的，不会因操作次数的增加而改变资源的最终状态

幂等性主要解决什么问题？

幂等性的提出主要解决分布式系统中重复提交问题，比如：像不法分子通过提交重复订单恶意刷单；由于网络波动，系统卡顿，用户多次点击支付按钮，导致重复支付；如果这些问题不能有效的解决，会对系统正常运行带来干扰，也可能带来严重的经济损失

为了解决这一系列问题，目前提出了三种行之有效的解决方案

1.数据库约束：利用数据库的唯一索引，主键等特性，保证数据的唯一性。数据库会对这种重复数据插入进行拦截，避免因为重复操作而导致数据冗余或错误

2.乐观锁：常用于数据库操作中，在更新数据时，会根据预先设置的乐观锁状态来判断是否被其他操作修改过，如果状态符合预期，则进行更新，反之，需重新进行处理，以保证数据一致性和操作的幂等性

3.唯一序列号：在进行操作时，为每个请求分配一个唯一的序列号。操作时判断与该序列号相等则执行

通过一个简单的订单系统来展示如何实现这三种方案

场景描述

假设我们有一个订单系统，用户可以提交订单，我们需要保证以下幂等性：

1.用户不能重复提交相同的订单

2.在更新订单状态时，避免并发冲突

3.通过唯一序列号确保操作的幂等性

1.利用数据库约束实现幂等性

通过在数据库中设置唯一索引或主键约束，确保数据的唯一性，当重复数据尝试插入时，数据库会抛出异常，从而阻止重复操作

数据库设计

CREATE TABLE orders(order_id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,user_id INT NOT NULL,order_number VARCHAR(50) NOT NULL UNIQUE,  --唯一订单号amount DECIMAL(10,2) NOT NULL,status VARCHAR(20) DEFAULT 'PENDING',created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

Java代码实现

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.PreparedStatement;
import java.sql.SQLException;//定义数据库连接和配置
public class OrderService{private static final string  DB_URL = "jdbc:mysql://localhost:3306/your_database";private static final String USER = "your_username";//数据库用户名private static final String PASS = "your_password";//数据库密码//创建订单的方法   
public void createOrder(String orderNumber,int userId,double amount){//使用参数化查询；（？，？，？）占位符预防SQL注入攻击；插入订单需要提供订单号，用户ID以及订单金额String sql = "INSERT INTO orders(order_number,user_id,amount) VALUES(?,?,?)";try(Connection conn = DriverManager.getConnection(DB_URL,USER,PASS);PreparedStatement pstmt = conn.prepareStatement(sql)){//将方法参数绑定到SQL语句的占位符中pstmt.setString(1,orderNumber);pstmt.setString(1,orderNumber);pstmt.setDouble(3,amount);//调用executeUpdate()方法执行插入操作pstmt.executeUpdate();System.out.println("订单创建成功！");}catch(SQLException e){if(e.getErrorCode() == 1062){  //禁止插入重复数据System.out.println("订单已存在，无法重新创建！");}else{System。out.println("数据库错误：" + e.getMessage());}}}
//主方法创建实例，调用createOrder方法两次，第一次正常插入订单，第二次尝试插入相同订单号
public static void main(String[] args){OrderService service = new OrderService();service.createOrder("ORDER123",1,100.0);service.createOrder("ORDER123",1,100.0); //重复提交 
}
}}

在数据表设计中

order_number字段被设置为唯一，如果没有设置唯一性约束，这段代码就无法正确实现幂等性

结果：

第一次提交成功
第二次提交时，数据库会抛出唯一性约束错误，阻止重复插入

2.利用乐观锁实现幂等性

在数据库中增加一个版本号字段（如version），每次更新数据时，检查版本号是否与预期一致，如果一致，则更新数据并递增版本号

数据库设计（为了实现乐观锁，数据表中需要有一个版本号字段 version）

ALTER TABLE orders ADD COLUMN version INT DEFAULT 1;

Java代码实现

public void updateOrderStatus(String orderNumber,String newStatus){//将订单的状态更新为newStatus，并递增版本号，只有当订单号匹配且版本号匹配，才会执行该操作 String sql = "UPDATE orders SET status = ?,version = version + 1 WHERE order_number = ? AND version = ?"; String querySql = "SELECT version FROM orders WHERE order_number = ?";try(Connection conn = DriverManager.getConnection(DB_URL,USER,PASS)){}//查询当前订单的版本号PreparedStatement queryStmt = conn.prepareStatement(querySql)queryStmt.setString(1,orderNumber);ResultSet rs = queryStmt.executeQuery();if(rs.next()){int currentVersion = rs.getInt("version");//使用PreparedStatement执行更新操作try (PreparedStatement updateStmt = conn.prepareStatement(sql)) {updateStmt.setString(1, newStatus); //新的订单状态updateStmt.setString(2, orderNumber); //订单号updateStmt.setInt(3, currentVersion); //当前版本号//调用executeUpdate()方法执行更新操作int rowsAffected = updateStmt.executeUpdate();if (rowsAffected == 0) {System.out.println("订单状态更新失败，数据已被其他操作修改！");} else {System.out.println("订单状态更新成功！");}}} else {System.out.println("订单不存在！");}}} catch (SQLException e) {System.out.println("数据库错误：" + e.getMessage());}
}
//创建OrderService实例，调用updateOrderStatus方法两次，模拟并发更新
public static void main(String[] args) {OrderService service = new OrderService();service.updateOrderStatus("ORDER123", "COMPLETED");service.updateOrderStatus("ORDER123", "CANCELLED");  // 并发更新
}...

结果：

第一次调用：

查询到当前版本号（假设为1）
更新成功，版本号递增为2
打印：“订单状态更新成功！”

第二次调用：

查询到当前版本号（现在是2）
尝试更新时，版本号不匹配（预期版本号为1，实际版本号为2）
打印：“订单状态更新失败，数据已被其他操作修改！”

3.利用唯一序列号实现幂等性

为每个请求分配一个唯一的序列号（如UUID），并利用数据库的NOT EXISTS条件，在执行操作时，检查该系列号是否已存在，如果存在，则跳过操作

数据库设计（为了实现幂等性，需要设计两个表）

1.订单表：（存储订单的基本信息）

CREATE TABLE orders (order_id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,order_number VARCHAR(50) NOT NULL UNIQUE,--order_number是订单的唯一标识status VARCHAR(20) DEFAULT 'PENDING',created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

2.操作记录表（用于记录对订单的操作）

CREATE TABLE order_operations (operation_id VARCHAR(50) PRIMARY KEY,--唯一标识，使用UUID生成order_id INT NOT NULL,operation_type VARCHAR(20) NOT NULL,created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

Java代码实现

import java.util.UUID;public void processOrderOperation(String orderNumber, String operationType) {String operationId = UUID.randomUUID().toString();  // 生成唯一序列号//将操作记录插入到order_operations表中 String sql = "INSERT INTO order_operations (operation_id, order_id, operation_type) "+ "SELECT ?, (SELECT order_id FROM orders WHERE order_number = ?), ? "+ "WHERE NOT EXISTS (SELECT 1 FROM order_operations WHERE operation_id = ?)"; //使用WHERE NOT EXISTS子句，检查是否已经存在相同的operation_id//建立数据库连接并执行SQL语句 try (Connection conn = DriverManager.getConnection(DB_URL, USER, PASS);PreparedStatement pstmt = conn.prepareStatement(sql)) {pstmt.setString(1, operationId);pstmt.setString(2, orderNumber);pstmt.setString(3, operationType);pstmt.setString(4, operationId);int rowsAffected = pstmt.executeUpdate();if (rowsAffected > 0) {System.out.println("操作成功执行！");} else {System.out.println("操作已被处理，跳过重复执行！");}} catch (SQLException e) {System.out.println("数据库错误：" + e.getMessage());}
}
//创建OrderService实例，调用processOrderOperation方法两次，模拟重复操作
public static void main(String[] args) {OrderService service = new OrderService();service.processOrderOperation("ORDER123", "PAYMENT");service.processOrderOperation("ORDER123", "PAYMENT");  // 重复操作
}

结果：

第一次调用：