面試官讓我5分鐘內寫一個搶紅包程式，我和他說了半小時原理！

微信搜「程式設計師檸檬」分享程式設計學習路線和學習資源，本文已收錄於Github：https://github.com/imcoderlemon/CodeClass
內含原創乾貨文章，千本計算機電子書，谷歌、阿里大神開源LeetCode題解，各類程式設計資源。

今年春節響應國家號召在家宅著抵抗疫情，拜年也改用微信紅包，春節發了很多也搶了很多微信紅包，也算支援了公司業務，微信支付融入生活，搶紅包已經是非常平常的事情。

搶紅包這一簡單的動作，每一次都是對紅包服務後臺的一次請求，在春節期間海量的服務請求下，其實是一個很典型的高並行程式設計模型。後臺開發程式設計師都有一個共識：實現一個功能很容易，難的是大量請求下提高服務效能。

在程式設計師眼裡，大家搶的不是紅包，是紅包後臺服務的鎖 ！這裡的鎖不是我們日常生活中的鎖，後臺服務程式設計中鎖的概念：

實現多個程序或執行緒互斥的存取共用資源的一種機制

今天和大家聊聊後臺服務程式設計中的鎖。

業務模型

為便於說明，我們簡化模型，約定搶紅包服務是多執行緒服務，搶紅包操作包含以下3個步驟：

1. 查詢資料庫內紅包餘額
2. 扣除搶到的紅包金額
3. 更新紅包餘額到資料庫

假設你發了100塊錢紅包，1000個人1秒內同時來搶（高並行），如果不加鎖是這樣的情況：

• 第一個人查餘額得到100元，他在此基礎上扣除搶到的假設2元，準備步驟3更新到資料庫。
• 在第一個人更新進去之前，此時剩下的人查到的餘額也是100，他們各自扣除搶到的金額，準備按步驟3更新。
• 導致最後的紅包餘額只記錄了最後一次更新的資料。
• 很明顯，這就可能出現1000個人都搶到紅包，但是紅包餘額還沒分完的情況，這就亂了。

怎麼解決這個問題呢? 就用到我們上面說的加鎖來解決。

有哪些鎖

實現鎖的方式有很多，這裡列舉幾種常見的分類

悲觀鎖

顧名思義就是悲觀的做最壞打算的鎖機制，佔有鎖期間獨佔資源。

悲觀鎖把搶紅包這三個步驟打包成一個整體做成互斥操作，「在我搶了沒更新資料之前你別來查餘額，查到也不準確」。也可以類比資料庫的事務來理解。

事務必須具備以下四個屬性，簡稱ACID 屬性：
原子性（Atomicity）：事務是一個完整的操作。事務的各步操作是不可分的（原子的）；要麼都執 行，要麼都不執行
一致性（Consistency）：當事務完成時，資料必須處於一致狀態
隔離性（Isolation）：對資料進行修改的所有並行事務是彼此隔離的，這表明事務必須是獨立的，它不應以任何方式依賴於或影響其他事務
永久性（Durability）：事務完成後，它對資料庫的修改被永久保持，事務紀錄檔能夠保持事務的永久性

它悲觀的認為你每次去搶紅包必然有其他人也同時在搶，所以你這條執行緒在搶的時候要獨佔資源，其他執行緒需要阻塞掛起等待你搶完才能進來搶，掛起的執行緒就幹不了其他事了。

魯迅先生說過，浪費CPU資源就是浪費生命！

而一旦你搶完紅包釋放了鎖，其他在等待中的執行緒又要搶佔資源、搶到了還要恢復執行緒上下文。

CPU不斷的切換執行緒上下文非常浪費伺服器資源，嚴重的會導致不能及時處理後續搶紅包請求，需要想辦法提高效率，於是有了樂觀鎖

樂觀鎖

樂觀鎖是對悲觀鎖的改進，樂觀的認為加鎖的時候沒有競爭，樂觀鎖不阻塞執行緒。

一種實現樂觀鎖的方法是資料庫內紅包餘額增加版本號，初始版本號是0，每次搶完紅包版本號加1後再去更新餘額，只有更新的版本號大於資料庫內的版本號才認為是合法的，予以更新；否則不予更新，執行緒不阻塞可以稍後重試，避免頻繁切換執行緒上下文。

樂觀鎖在搶紅包的步驟1、2不做加鎖判斷，在步驟3的時候才做加鎖判斷版本號。

• 第一個人搶到版本號是0的紅包，第二個人也搶到版本號是0的紅包
• 第一個人更新紅包餘額並設定版本號為1
• 第二個人更新紅包餘額設定版本號為1的時候發現餘額版本號已經為1，更新失敗
• 第二個人更新失敗後，執行緒不阻塞，繼續處理其他搶紅包搶請求，按一定策略重試（超時重試、有限次數重試）第二個人的更新操作
• 其他請求以此類推

可以看到，樂觀鎖在加鎖失敗的時候不掛起執行緒等待，避免了執行緒上下文頻繁的切換，提高紅包服務處理效能。

分散式鎖

上面兩種鎖的形式都是基於對資料庫的更新來做的，在大請求高並行的時候，頻繁的存取資料庫，尤其是樂觀鎖重試會對資料庫產生很大的衝擊，在實際生產環境要儘量減少對資料庫的存取。

Redis 是一個開源（BSD許可）的，記憶體中的資料結構儲存系統，它可以用作資料庫、快取和訊息中介軟體。也可以用redis實現分散式鎖，與資料庫互動兩次：第一次獲取紅包餘額，第二次搶完更新紅包狀態。搶紅包和中間過程更新操作都在記憶體中進行，這可比資料庫操作快了幾個數量級，顯著改善服務並行效能。

redis分散式鎖：

利用Redis的SET操作在記憶體中儲存key-value鍵值對，加鎖就是獲取這個鍵值對的值，解鎖就是刪除這個鍵值對。

分散式鎖也不阻塞執行緒，關於這種分散式鎖的實現不在這裡展開說明，可以參考我另一篇公眾號文章: redis分散式鎖的3種實現方式分析，詳細分析了幾種分散式鎖特點和利弊。

原創不易，看到這裡動動手指，各位的「三連」是對我持續創作的最大支援，我們下篇文章再見。

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