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PHP高并发商品秒杀问题的解决方案

3年前 (2022-05-27)PHP616

## 前言

秒杀会产生一个瞬间的高并发，使用数据库会增加数据库的访问压力，也会降低访问速度，所以我们应该使用缓存，来降低数据库的访问压力；
可以看出这里的操作和原来的下单是不一样的：产生的秒杀预订单不会马上写入数据库，会先写入缓存，等用户支付成功时，修改状态，写入数据库。

假设num是存储在数据库中的字段，保存了被秒杀产品的剩余数量。

```php
if($num > 0){
  //用户抢购成功，记录用户信息
  $num--;
}
```

假设在一个并发量较高的场景，数据库中num的值为1时，可能同时会有多个进程读取到num为1，程序判断符合条件，抢购成功，num减一。

这样会导致商品超发的情况，本来只有10件可以抢购的商品，可能会有超过10个人抢到，此时num在抢购完成之后为负值。

解决该问题的方案由很多，可以简单分为基于mysql和redis的解决方案，redis的性能要由于mysql，因此可以承载更高的并发量，不过下面介绍的方案都是基于单台mysql和redis的，更高的并发量需要分布式的解决方案，本文没有涉及。

### 一、基于mysql的解决方案

商品表 goods
```mysql
CREATE TABLE `goods` (
 `id` int(11) NOT NULL,
 `num` int(11) DEFAULT NULL,
 `version` int(11) DEFAULT NULL,
 PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8
```
抢购结果表 log
```mysql
CREATE TABLE `log` (
 `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
 `good_id` int(11) DEFAULT NULL,
 PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8
```

#### 1、悲观锁

悲观锁的方案采用的是排他读，也就是同时只能有一个进程读取到num的值。事务在提交或回滚之后，锁会释放，其他的进程才能读取。

该方案最简单易懂，在对性能要求不高时，可以直接采用该方案。要注意的是，`SELECT … FOR UPDATE`要尽可能的使用索引，以便锁定尽可能少的行数；

排他锁是在事务执行结束之后才释放的，不是读取完成之后就释放，因此使用的事务应该尽可能的早些提交或回滚，以便早些释放排它锁。
```php
$this->mysqli->begin_transaction();
$result = $this->mysqli->query("SELECT num FROM goods WHERE id=1 LIMIT 1 FOR UPDATE");
$row = $result->fetch_assoc();
$num = intval($row['num']);
if($num > 0){
  usleep(100);
  $this->mysqli->query("UPDATE goods SET num=num-1");
  $affected_rows = $this->mysqli->affected_rows;
  if($affected_rows == 1){
    $this->mysqli->query("INSERT INTO log(good_id) VALUES({$num})");
    $affected_rows = $this->mysqli->affected_rows;
    if($affected_rows == 1){
      $this->mysqli->commit();
      echo "success:".$num;
    }else{
      $this->mysqli->rollback();
      echo "fail1:".$num;
    }
  }else{
    $this->mysqli->rollback();
    echo "fail2:".$num;
  }
}else{
  $this->mysqli->commit();
  echo "fail3:".$num;
}
```

#### 2、乐观锁

乐观锁的方案在读取数据是并没有加排他锁，而是通过一个每次更新都会自增的`version`字段来解决，多个进程读取到相同`num`，然后都能更新成功的问题。在每个进程读取`num`的同时，也读取`version`的值，并且在更新`num`的同时也更新`version`，并在更新时加上对`version`的等值判断。

假设有`10`个进程都读取到了`num`的值为`1`，`version`值为`9`，则这`10`个进程执行的更新语句都是

`UPDATE goods SET num=num-1,version=version+1 WHERE version=9;`

然而当其中一个进程执行成功之后，数据库中`version`的值就会变为`10`，剩余的`9`个进程都不会执行成功，这样保证了商品不会超发，`num`的值不会小于`0`，但这也导致了一个问题，那就是发出抢购请求较早的用户可能抢不到，反而被后来的请求抢到了。
```php
$result = $this->mysqli->query("SELECT num,version FROM goods WHERE id=1 LIMIT 1");
$row = $result->fetch_assoc();
$num = intval($row['num']);
$version = intval($row['version']);
if($num > 0){
  usleep(100);
  $this->mysqli->begin_transaction();
  $this->mysqli->query("UPDATE goods SET num=num-1,version=version+1 WHERE version={$version}");
  $affected_rows = $this->mysqli->affected_rows;
  if($affected_rows == 1){
    $this->mysqli->query("INSERT INTO log(good_id) VALUES({$num})");
    $affected_rows = $this->mysqli->affected_rows;
    if($affected_rows == 1){
      $this->mysqli->commit();
      echo "success:".$num;
    }else{
      $this->mysqli->rollback();
      echo "fail1:".$num;
    }
  }else{
    $this->mysqli->rollback();
    echo "fail2:".$num;
  }
}else{
  echo "fail3:".$num;
}
```

#### 3、where条件（原子操作）

悲观锁的方案保证了数据库中`num`的值在同一时间只能被一个进程读取并处理，也就是并发的读取进程到这里要排队依次执行。

乐观锁的方案虽然`num`的值可以被多个进程同时读取到，但是更新操作中`version`的等值判断可以保证并发的更新操作在同一时间只能有一个更新成功。

还有一种更简单的方案，只在更新操作时加上`num>0`的条件限制即可。通过`where`条件限制的方案虽然看似和乐观锁方案类似，都能够防止超发问题的出现，但在`num`较大时的表现还是有很大区别的。

假如此时`num`为`10`，同时有`5`个进程读取到了`num=10`，对于乐观锁的方案由于`version`字段的等值判断，这`5`个进程只会有一个更新成功，这`5`个进程执行完成之后`num`为`9`；

对于`where`条件判断的方案，只要`num>0`都能够更新成功，这`5`个进程执行完成之后`num`为`5`。
```php
$result = $this->mysqli->query("SELECT num FROM goods WHERE id=1 LIMIT 1");
$row = $result->fetch_assoc();
$num = intval($row['num']);
if($num > 0){
  usleep(100);
  $this->mysqli->begin_transaction();
  $this->mysqli->query("UPDATE goods SET num=num-1 WHERE num>0");
  $affected_rows = $this->mysqli->affected_rows;
  if($affected_rows == 1){
    $this->mysqli->query("INSERT INTO log(good_id) VALUES({$num})");
    $affected_rows = $this->mysqli->affected_rows;
    if($affected_rows == 1){
      $this->mysqli->commit();
      echo "success:".$num;
    }else{
      $this->mysqli->rollback();
      echo "fail1:".$num;
    }
  }else{
    $this->mysqli->rollback();
    echo "fail2:".$num;
  }
}else{
  echo "fail3:".$num;
}
```
### 二、基于redis的解决方案

#### 1、基于watch的乐观锁方案

`watch`用于监视`一个(或多个)` `key`，如果在事务执行之前这个(或这些) `key` 被其他命令所改动，那么事务将被打断。

这种方案跟`mysql`中的乐观锁方案类似，具体表现也是一样的。
```php
$num = $this->redis->get('num');
if($num > 0) {
  $this->redis->watch('num');
  usleep(100);
  $res = $this->redis->multi()->decr('num')->lPush('result',$num)->exec();
  if($res == false){
    echo "fail1";
  }else{
    echo "success:".$num;
  }
}else{
  echo "fail2";
}
```

#### 2、基于list的队列方案

基于队列的方案利用了`redis`出队操作的原子性，抢购开始之前首先将商品编号放入响应的队列中，在抢购时依次从队列中弹出操作，这样可以保证每个商品只能被一个进程获取并操作，不存在超发的情况。

该方案的优点是理解和实现起来都比较简单，缺点是当商品数量较多是，需要将大量的数据存入到队列中，并且不同的商品需要存入到不同的消息队列中。
```php
public function init(){
  $this->redis->del('goods');
  for($i=1;$i<=10;$i++){
    $this->redis->lPush('goods',$i);
  }
  $this->redis->del('result');
  echo 'init done';
}
public function run(){
  $goods_id = $this->redis->rPop('goods');
  usleep(100);
  if($goods_id == false) {
    echo "fail1";
  }else{
    $res = $this->redis->lPush('result',$goods_id);
    if($res == false){
      echo "writelog:".$goods_id;
    }else{
      echo "success".$goods_id;
    }
  }
}
```

#### 3、基于decr返回值的方案

如果我们将剩余量`num`设置为一个键值类型，每次先`get`之后判断，然后再`decr`是不能解决超发问题的。

但是`redis`中的`decr`操作会返回执行后的结果，可以解决超发问题。

我们首先`get`到`num`的值进行第一步判断，避免每次都去更新`num`的值，然后再对`num`执行`decr`操作，并判断`decr`的返回值，如果返回值不小于`0`，这说明`decr`之前是大于`0`的，用户抢购成功。
```php
public function run(){
  $num = $this->redis->get('num');
  if($num > 0) {
    usleep(100);
    $retNum = $this->redis->decr('num');
    if($retNum >= 0){
      $res = $this->redis->lPush('result',$retNum);
      if($res == false){
        echo "writeLog:".$retNum;
      }else{
        echo "success:".$retNum;
      }
    }else{
      echo "fail1";
    }
  }else{
    echo "fail2";
  }
}
```

#### 4、基于setnx的排它锁方案

`redis`没有像`mysql`中的排它锁，但是可以通过一些方式实现排它锁的功能，就类似`php`使用文件锁实现排它锁一样。

`setnx`实现了`exists`和`set`两个指令的功能，若给定的`key`已存在，则`setnx`不做任何动作，返回`0`；若`key`不存在，则执行类似`set`的操作，返回`1`。

我们设置一个超时时间`timeout`，每隔一定时间尝试`setnx`操作，如果设置成功就是获得了相应的锁，执行`num`的`decr`操作，操作完成删除相应的`key`，模拟释放锁的操作。
```php
public function run(){
  do {
    $res = $this->redis->setnx("numKey",1);
    $this->timeout -= 100;
    usleep(100);
  }while($res == 0 && $this->timeout>0);
  if($res == 0){
    echo 'fail1';
  }else{
    $num = $this->redis->get('num');
    if($num > 0) {
      $this->redis->decr('num');
      usleep(100);
      $res = $this->redis->lPush('result',$num);
      if($res == false){
        echo "fail2";
      }else{
        echo "success:".$num;
      }
    }else{
      echo "fail3";
    }
    $this->redis->del("numKey");
  }
}
```

本文通过一些例子和使用方法介绍了 `php在高并发商品秒杀时的几种解决方案 `希望通过本篇文章，可以让人在设计和遇到此类问题时可以有所借鉴！

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