幂等性

1.幂等的数学概念

如果在一元运算中，x 为某集合中的任意数，如果满足 f(x) = f(f(x)) ，那么该 f 运算具有幂等性。

绝对值运算 abs(a) = abs(abs(a)) 就是幂等性函数

如果在二元运算中，x 为某集合中的任意数，如果满足 f(x,x) = x，前提是 f 运算的两个参数均为 x，那么我们称 f 运算也有幂等性。

求大值函数 max(x,x) = x 就是幂等性函数

2.幂等概述

2.1幂等业务场景分析

生产环境经常出现过重复的数据？在排查问题的时候，数据又是正常的。这个是何解呢？怎么会出现这种情况，而且还很难排查问题。

原因 ：产生重复数据或数据不一致（假定程序业务代码没问题），绝大部分就是发生了重复的请求，重复请求是指同一个请求因为某些原因被多次提交。导致这个情况会有几种场景：（本质上：多次请求）

1）微服务场景，在我们传统应用架构中调用接口，要么成功，要么失败。但是在微服务架构下，会有第三个情况【未知】，也就是超时。如果超时了，微服务框架会进行重试。
2）用户交互的时候多次点击。如：快速点击按钮多次。
3）MQ消息中间件，消息重复消费。
4）第三方平台的接口（如：支付成功回调接口），因为异常也会导致多次异步回调。
5）其他中间件/应用服务根据自身的特性，也有可能进行重试。

2.2接口幂等

接口的幂等性实际上就是 接口可重复调用，在调用方多次调用的情况下，接口最终得到的结果是一致的。更准确的讲：多次调用对系统的产生的影响是一样的，即对资源的作用是一样的，但是返回值允许不同。

2.3幂等业务场景举例

场景1：支付场景

1.一个订单创建接口，第一次调用超时了，然后调用方重试了一次
2.在订单创建时，我们需要去扣减库存，这时接口发生了超时，调用方重试了一次
3.当这笔订单开始支付，在支付请求发出之后，在服务端发生了扣钱操作，接口响应超时了，调用方重试了一次
4.一个订单状态更新接口，调用方连续发送了两个消息，一个是已创建，一个是已付款。但是你先接收到已付款，然后又接收到了已创建
5.在支付完成订单之后，需要发送一条短信，当一台机器接收到短信发送的消息之后，处理较慢。消息中间件又把消息投递给另外一台机器处理

场景2：一键三连

小破站有一个一键三连的功能，长按可以对up主进行激励，每个人对每个视频只有一个一键三连的机会。就算再喜欢某个视频，多次操作，也只能有一键三连一次。

场景3：统计DAU/MAU

DAU/MAU，又叫日活/月活，是用于反映网站、互联网应用或网络游戏的运营情况的统计指标。所以一个用户当天或者当月登录多次（或者达到某种活跃用户判断机制多次），也只能看作一个活跃用户，不能重复计算。

2.4CRUD与幂等

有些接口可以天然的实现幂等性，比如查询接口，对于查询来说，查询一次和多次，对于系统来说，没有任何影响，查出的结果也是一样，而其他功能，例如：增加、更新、删除都要保证幂等性。
以user表举例

1、查询，select * from user where xxx，不会对数据产生任何变化，具备幂等性

2、新增，insert into user(userid, name) values(1, ‘a’)

如 userid 为唯一主键，即重复操作上面的业务，只会插入一条用户数据，具备幂等性

如 userid 不是主键，可以重复，那上面业务多次操作，数据都会新增多条，不具备幂等性

3、修改，区分直接赋值和计算赋值

直接赋值，update user set point = 20 where userid = 1，不管执行多少次，point都一样，具备幂等性

计算赋值，update user set point = point + 20 where userid = 1，每次操作 point 数据都不一样，不具备幂等性

4、删除，delete from user where userid = 1，多次操作，结果一样，具备幂等性

因此，我们可以得出，没有唯一主键约束的数据，和修改计算赋值数据的操作都不具备幂等性 。
同理扩展到请求类型get、put、post和delete
1.get：只是查询，安全和幂等。就像数据库select操作一样，没有副作用。进行多次的结果都一样。
2.put：发送数据改变内容，幂等。就像update一样，但是不会增加。
3.post：发送数据，改变种类，就像insert一样，也可请求资源（非幂等）
4.delete：删除某个资源 就像数据库的delete，幂等。

3.解决方案

3.1token + redis机制

token + redis 的幂等方案，适用于绝大部分场景。主要思想：

token作为请求的唯一性标示
redis作为存储token的数据库
每次请求先去redis查看token是否存在
不存在，将返回结果缓存到redis
存在，直接返回缓存结果
设置缓存有效期

服务端提供发送token的接口，业务调用接口前先获取token,然后调用业务接口请求时，把token携带过去,服务器判断token是否存在redis中，存在表示第一次请求，可以继续执行业务，执行业务完成后，最后需要把redis中的token删除。

3.2乐观锁机制

乐观锁这里解决了计算赋值型的修改场景

update user set point = #{point}+ 20, version = #{version}+ 1 where userid=#{userid} and version=#{version}

加上了版本号后，就让此计算赋值型业务，具备了幂等性

缺点：就是在操作业务前，需要先查询出当前的version版本,version实例如下：

• 多版本控制

这种方法适合在更新的场景中，比如我们要更新商品的名字，这时我们就可以在更新的接口中增加一个版本号，来做幂等

boolean updateGoodsName(int id,String newName,int version);

在实现时可以如下

update goods set name=#{newName},version=#{version} where id=#{id} and version<${version}

• 状态机控制

这种方法适合在有状态机流转的情况下，比如就会订单的创建和付款，订单的付款肯定是在之前，这时我们可以通过在设计状态字段时，使用int类型，并且通过值类型的大小来做幂等，比如订单的创建为0，付款成功为10，付款失败为-1。

在做状态机更新时，我们就这可以这样控制

update `order` set status=#{status} where id=#{id} and status<#{status}

3.3唯一主键机制

唯一主键机制就是根据业务的操作和内容生成一个全局唯一的主键ID，在执行操作前先根据这个全局唯一的主键ID是否存在，来判断这个操作是否已经执行。如果不存在则把全局ID，存储到存储系统中，比如数据库、redis等。如果存在则表示该方法已经执行。

从工程的角度来说，使用全局ID做幂等可以作为一个业务的基础的微服务存在，在很多的微服务中都会用到这样的服务，在每个微服务中都完成这样的功能，会存在工作量重复。另外打造一个高可靠的幂等服务还需要考虑很多问题，比如一台机器虽然把全局唯一的主键ID先写入了存储，但是在写入之后挂了，这就需要引入全局唯一的主键ID的超时机制。使用全局唯一ID是一个通用方案，可以支持插入、更新、删除业务操作。但是这个方案看起来很美但是实现起来比较麻烦。

总而言之，这个机制是利用了数据库的主键唯一约束的特性，解决了在insert场景时幂等问题。但主键的要求不是自增的主键，这样就需要业务生成全局唯一的主键 ID来解决。

如果是分库分表场景下，路由规则要保证相同请求下，落点在同一个数据库和同一表中，要不然数据库主键约束就不起效果了，因为是不同的数据库和表主键不相关。

因为对主键有一定的要求，这个方案就跟业务有点耦合了，无法用自增主键了。

3.4去重表机制

这种方法适用于在业务中有唯一标的插入场景中，比如在以上的支付场景中，如果一个订单只会支付一次，所以订单ID可以作为唯一标识。这时，我们就可以建一张去重表，并且把唯一标识作为唯一索引，在我们实现时，把创建支付单据和写入去去重表，放在一个事务中，如果重复创建，数据库会抛出唯一约束异常，操作就会回滚。

简单来说，就是 把唯一主键插入去重表，再进行业务操作，且他们在同一个事务中。这个保证了重复请求时，因为去重表有唯一约束，导致请求失败，避免了幂等问题。

这里要注意的是，去重表和业务表应该在同一库中，这样就保证了在同一个事务，即使业务操作失败了，也会把去重表的数据回滚。这个很好的保证了数据一致性。

这个方案也是比较常用的，去重表是跟业务无关的，很多业务可以共用同一个去重表，只要规划好唯一主键就行了。

3.5门票机制

支付场景：单次支付请求，也就是直接支付了，不需要额外的数据库操作了，这个时候发起异步请求创建一个唯一的ticketId，就是门票，这张门票只能使用一次就作废。

具体步骤：

1.异步请求获取门票
2.调用支付，传入门票
3.根据门票ID查询此次操作是否存在，如果存在则表示该操作已经执行过，直接返回结果；如果不存在，支付扣款，保存结果
4.返回结果到客户端
如果步骤4通信失败，用户再次发起请求，那么最终结果还是一样的.