什么叫冪等？如何實(shí)現(xiàn)冪等性？

本文公眾號(hào)來(lái)源：無(wú)聊學(xué)Java

作者：無(wú)聊

什么是冪等性？

冪等是一個(gè)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)概念，在數(shù)學(xué)中某一元運(yùn)算為冪等時(shí)，其作用在任一元素兩次后會(huì)和其作用一次的結(jié)果相同。

“

在計(jì)算機(jī)中編程中，一個(gè)冪等操作的特點(diǎn)是其任意多次執(zhí)行所產(chǎn)生的影響均與一次執(zhí)行的影響相同。

冪等函數(shù)或冪等方法是指可以使用相同參數(shù)重復(fù)執(zhí)行，并能獲得相同結(jié)果的函數(shù)。這些函數(shù)不會(huì)影響系統(tǒng)狀態(tài)，也不用擔(dān)心重復(fù)執(zhí)行會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成改變。

什么是接口冪等性？

在HTTP/1.1中，對(duì)冪等性進(jìn)行了定義。它描述了一次和多次請(qǐng)求某一個(gè)資源對(duì)于資源本身應(yīng)該具有同樣的結(jié)果（網(wǎng)絡(luò)超時(shí)等問(wèn)題除外），即第一次請(qǐng)求的時(shí)候?qū)Y源產(chǎn)生了副作用，但是以后的多次請(qǐng)求都不會(huì)再對(duì)資源產(chǎn)生副作用。

這里的副作用是不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生破壞或者產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。也就是說(shuō)，其任意多次執(zhí)行對(duì)資源本身所產(chǎn)生的影響均與一次執(zhí)行的影響相同。

為什么需要實(shí)現(xiàn)冪等性？

在接口調(diào)用時(shí)一般情況下都能正常返回信息不會(huì)重復(fù)提交，不過(guò)在遇見(jiàn)以下情況時(shí)可以就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，如：

1. 前端重復(fù)提交表單：在填寫(xiě)一些表格時(shí)候，用戶填寫(xiě)完成提交，很多時(shí)候會(huì)因網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)沒(méi)有及時(shí)對(duì)用戶做出提交成功響應(yīng)，致使用戶認(rèn)為沒(méi)有成功提交，然后一直點(diǎn)提交按鈕，這時(shí)就會(huì)發(fā)生重復(fù)提交表單請(qǐng)求。

2. 用戶惡意進(jìn)行刷單：例如在實(shí)現(xiàn)用戶投票這種功能時(shí)，如果用戶針對(duì)一個(gè)用戶進(jìn)行重復(fù)提交投票，這樣會(huì)導(dǎo)致接口接收到用戶重復(fù)提交的投票信息，這樣會(huì)使投票結(jié)果與事實(shí)嚴(yán)重不符。

3. 接口超時(shí)重復(fù)提交：很多時(shí)候 HTTP 客戶端工具都默認(rèn)開(kāi)啟超時(shí)重試的機(jī)制，尤其是第三方調(diào)用接口時(shí)候，為了防止網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)超時(shí)等造成的請(qǐng)求失敗，都會(huì)添加重試機(jī)制，導(dǎo)致一個(gè)請(qǐng)求提交多次。

4. 消息進(jìn)行重復(fù)消費(fèi)：當(dāng)使用 MQ 消息中間件時(shí)候，如果發(fā)生消息中間件出現(xiàn)錯(cuò)誤未及時(shí)提交消費(fèi)信息，導(dǎo)致發(fā)生重復(fù)消費(fèi)。

“

使用冪等性最大的優(yōu)勢(shì)在于使接口保證任何冪等性操作，免去因重試等造成系統(tǒng)產(chǎn)生的未知的問(wèn)題。

引入冪等性后對(duì)系統(tǒng)有什么影響？

冪等性是為了簡(jiǎn)化客戶端邏輯處理，能放置重復(fù)提交等操作，但卻增加了服務(wù)端的邏輯復(fù)雜性和成本，其主要是：

1. 把并行執(zhí)行的功能改為串行執(zhí)行，降低了執(zhí)行效率。

2. 增加了額外控制冪等的業(yè)務(wù)邏輯，復(fù)雜化了業(yè)務(wù)功能；

所以在使用時(shí)候需要考慮是否引入冪等性的必要性，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景具體分析，除了業(yè)務(wù)上的特殊要求外，一般情況下不需要引入的接口冪等性。

Restful API 接口冪等性如何？

現(xiàn)在流行的 Restful 推薦的幾種 HTTP 接口方法中，分別存在冪等行與不能保證冪等的方法，如下：

1. √滿足冪等
2. x 不滿足冪等
3. - 可能滿足也可能不滿足冪等，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)邏輯有關(guān)

方案一：數(shù)據(jù)庫(kù)唯一主鍵實(shí)現(xiàn)冪等性

數(shù)據(jù)庫(kù)唯一主鍵的實(shí)現(xiàn)主要是利用數(shù)據(jù)庫(kù)中主鍵唯一約束的特性，一般來(lái)說(shuō)唯一主鍵比較適用于“插入”時(shí)的冪等性，其能保證一張表中只能存在一條帶該唯一主鍵的記錄。

使用數(shù)據(jù)庫(kù)唯一主鍵完成冪等性時(shí)需要注意的是，該主鍵一般來(lái)說(shuō)并不是使用數(shù)據(jù)庫(kù)中自增主鍵，而是使用分布式 ID 充當(dāng)主鍵，這樣才能能保證在分布式環(huán)境下 ID 的全局唯一性。

適用操作

• 插入操作
• 刪除操作

使用限制

• 需要生成全局唯一主鍵 ID；

主要流程

主要流程如下：

1. 客戶端執(zhí)行創(chuàng)建請(qǐng)求，調(diào)用服務(wù)端接口。

2. 服務(wù)端執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，生成一個(gè)分布式 ID，將該 ID 充當(dāng)待插入數(shù)據(jù)的主鍵，然 后執(zhí)數(shù)據(jù)插入操作，運(yùn)行對(duì)應(yīng)的 SQL 語(yǔ)句。

3. 服務(wù)端將該條數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果插入成功則表示沒(méi)有重復(fù)調(diào)用接口。如果拋出主鍵重復(fù)異常，則表示數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存在該條記錄，返回錯(cuò)誤信息到客戶端。

方案二：數(shù)據(jù)庫(kù)樂(lè)觀鎖實(shí)現(xiàn)冪等性

數(shù)據(jù)庫(kù)樂(lè)觀鎖方案一般只能適用于執(zhí)行更新操作的過(guò)程，我們可以提前在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中多添加一個(gè)字段，充當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)的版本標(biāo)識(shí)。

這樣每次對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)該表的這條數(shù)據(jù)執(zhí)行更新時(shí)，都會(huì)將該版本標(biāo)識(shí)作為一個(gè)條件，值為上次待更新數(shù)據(jù)中的版本標(biāo)識(shí)的值。

適用操作

• 更新操作

使用限制

• 需要數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)表中添加額外字段

描述示例

例如，存在如下的數(shù)據(jù)表中：

為了每次執(zhí)行更新時(shí)防止重復(fù)更新，確定更新的一定是要更新的內(nèi)容，我們通常都會(huì)添加一個(gè) version 字段記錄當(dāng)前的記錄版本，這樣在更新時(shí)候?qū)⒃撝祹?，那么只要?zhí)行更新操作就能確定一定更新的是某個(gè)對(duì)應(yīng)版本下的信息。

這樣每次執(zhí)行更新時(shí)候，都要指定要更新的版本號(hào)，如下操作就能準(zhǔn)確更新 version=5 的信息：

UPDATE?my_table?SET?price=price+50,version=version+1?WHERE?id=1?AND?version=5

上面 WHERE 后面跟著條件 id=1 AND version=5 被執(zhí)行后，id=1 的 version 被更新為 6，所以如果重復(fù)執(zhí)行該條 SQL 語(yǔ)句將不生效，因?yàn)?id=1 AND version=5 的數(shù)據(jù)已經(jīng)不存在，這樣就能保住更新的冪等，多次更新對(duì)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響。

方案三：防重 Token 令牌實(shí)現(xiàn)冪等性

針對(duì)客戶端連續(xù)點(diǎn)擊或者調(diào)用方的超時(shí)重試等情況，例如提交訂單，此種操作就可以用 Token 的機(jī)制實(shí)現(xiàn)防止重復(fù)提交。

簡(jiǎn)單的說(shuō)就是調(diào)用方在調(diào)用接口的時(shí)候先向后端請(qǐng)求一個(gè)全局 ID（Token），請(qǐng)求的時(shí)候攜帶這個(gè)全局 ID 一起請(qǐng)求（Token 最好將其放到 Headers 中），后端需要對(duì)這個(gè) Token 作為 Key，用戶信息作為 Value 到 Redis 中進(jìn)行鍵值內(nèi)容校驗(yàn)，如果 Key 存在且 Value 匹配就執(zhí)行刪除命令，然后正常執(zhí)行后面的業(yè)務(wù)邏輯。如果不存在對(duì)應(yīng)的 Key 或 Value 不匹配就返回重復(fù)執(zhí)行的錯(cuò)誤信息，這樣來(lái)保證冪等操作。

適用操作

• 插入操作
• 更新操作
• 刪除操作

使用限制

• 需要生成全局唯一 Token 串
• 需要使用第三方組件 Redis 進(jìn)行數(shù)據(jù)效驗(yàn)

主要流程：

1. 服務(wù)端提供獲取 Token 的接口，該 Token 可以是一個(gè)序列號(hào)，也可以是一個(gè)分布式 ID 或者 UUID 串。

2. 客戶端調(diào)用接口獲取 Token，這時(shí)候服務(wù)端會(huì)生成一個(gè) Token 串。

3. 然后將該串存入 Redis 數(shù)據(jù)庫(kù)中，以該 Token 作為 Redis 的鍵（注意設(shè)置過(guò)期時(shí)間）。

4. 將 Token 返回到客戶端，客戶端拿到后應(yīng)存到表單隱藏域中。

5. 客戶端在執(zhí)行提交表單時(shí)，把 Token 存入到 Headers 中，執(zhí)行業(yè)務(wù)請(qǐng)求帶上該 Headers。

6. 服務(wù)端接收到請(qǐng)求后從 Headers 中拿到 Token，然后根據(jù) Token 到 Redis 中查找該 key 是否存在。

7. 服務(wù)端根據(jù) Redis 中是否存該 key 進(jìn)行判斷，如果存在就將該 key 刪除，然后正常執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯。如果不存在就拋異常，返回重復(fù)提交的錯(cuò)誤信息。

“

注意，在并發(fā)情況下，執(zhí)行 Redis 查找數(shù)據(jù)與刪除需要保證原子性，否則很可能在并發(fā)下無(wú)法保證冪等性。其實(shí)現(xiàn)方法可以使用分布式鎖或者使用 Lua 表達(dá)式來(lái)注銷查詢與刪除操作。

方案四: 下游傳遞唯一序列號(hào)實(shí)現(xiàn)冪等性

所謂請(qǐng)求序列號(hào)，其實(shí)就是每次向服務(wù)端請(qǐng)求時(shí)候附帶一個(gè)短時(shí)間內(nèi)唯一不重復(fù)的序列號(hào)，該序列號(hào)可以是一個(gè)有序 ID，也可以是一個(gè)訂單號(hào)，一般由下游生成，在調(diào)用上游服務(wù)端接口時(shí)附加該序列號(hào)和用于認(rèn)證的 ID。

當(dāng)上游服務(wù)器收到請(qǐng)求信息后拿取該 序列號(hào) 和下游 認(rèn)證ID 進(jìn)行組合，形成用于操作 Redis 的 Key，然后到 Redis 中查詢是否存在對(duì)應(yīng)的 Key 的鍵值對(duì)，根據(jù)其結(jié)果：

1. 如果存在，就說(shuō)明已經(jīng)對(duì)該下游的該序列號(hào)的請(qǐng)求進(jìn)行了業(yè)務(wù)處理，這時(shí)可以直接響應(yīng)重復(fù)請(qǐng)求的錯(cuò)誤信息。

2. 如果不存在，就以該 Key 作為 Redis 的鍵，以下游關(guān)鍵信息作為存儲(chǔ)的值（例如下游商傳遞的一些業(yè)務(wù)邏輯信息），將該鍵值對(duì)存儲(chǔ)到 Redis 中 ，然后再正常執(zhí)行對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯即可。

適用操作

• 插入操作
• 更新操作
• 刪除操作

使用限制

• 要求第三方傳遞唯一序列號(hào)；
• 需要使用第三方組件 Redis 進(jìn)行數(shù)據(jù)效驗(yàn)；

主要流程

1. 下游服務(wù)生成分布式 ID 作為序列號(hào)，然后執(zhí)行請(qǐng)求調(diào)用上游接口，并附帶唯一序列號(hào)與請(qǐng)求的認(rèn)證憑據(jù)ID。

2. 上游服務(wù)進(jìn)行安全效驗(yàn)，檢測(cè)下游傳遞的參數(shù)中是否存在序列號(hào)和憑據(jù)ID。

3. 上游服務(wù)到 Redis 中檢測(cè)是否存在對(duì)應(yīng)的序列號(hào)與認(rèn)證ID組成的 Key，如果存在就拋出重復(fù)執(zhí)行的異常信息，然后響應(yīng)下游對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤信息。如果不存在就以該序列號(hào)和認(rèn)證ID組合作為 Key，以下游關(guān)鍵信息作為 Value，進(jìn)而存儲(chǔ)到 Redis 中，然后正常執(zhí)行接來(lái)來(lái)的業(yè)務(wù)邏輯。

“

上面步驟中插入數(shù)據(jù)到 Redis 一定要設(shè)置過(guò)期時(shí)間。這樣能保證在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，如果重復(fù)調(diào)用接口，則能夠進(jìn)行判斷識(shí)別。如果不設(shè)置過(guò)期時(shí)間，很可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)限量的存入 Redis，致使 Redis 不能正常工作。

實(shí)現(xiàn)接口冪等示例

這里使用防重 Token 令牌方案，該方案能保證在不同請(qǐng)求動(dòng)作下的冪等性，實(shí)現(xiàn)邏輯可以看上面寫(xiě)的”防重 Token 令牌”方案，接下來(lái)寫(xiě)下實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯的代碼。

1. Maven 引入相關(guān)依賴

這里使用 Maven 工具管理依賴，這里在 pom.xml中引入 SpringBoot、Redis、lombok 相關(guān)依賴。

<dependencies>
????????
????????<dependency>
????????????<groupId>org.springframework.bootgroupId>
????????????<artifactId>spring-boot-starter-webartifactId>
????????dependency>
????????
????????<dependency>
????????????<groupId>org.springframework.bootgroupId>
????????????<artifactId>spring-boot-starter-data-redisartifactId>
????????dependency>
????????<dependency>
????????????<groupId>org.apache.commonsgroupId>
????????????<artifactId>commons-pool2artifactId>
????????dependency>
????????
????????<dependency>
????????????<groupId>org.projectlombokgroupId>
????????????<artifactId>lombokartifactId>
????????dependency>
????dependencies>

2. 配置連接 Redis 的參數(shù)

在 application 配置文件中配置連接 Redis 的參數(shù)，如下:

spring:
??redis:
????ssl:?false
????host:?127.0.0.1
????port:?6379
????database:?0
????timeout:?1000
????password:
????lettuce:
??????pool:
????????max-active:?100
????????max-wait:?-1
????????min-idle:?0
????????max-idle:?20

3. 創(chuàng)建與驗(yàn)證 Token 工具類

創(chuàng)建用于操作 Token 相關(guān)的 Service 類，里面存在 Token 創(chuàng)建與驗(yàn)證方法，其中：

1. Token 創(chuàng)建方法：使用 UUID 工具創(chuàng)建 Token 串，設(shè)置以 “idempotent_token:“+“Token串” 作為 Key，以用戶信息當(dāng)成 Value，將信息存入 Redis 中。

2. Token 驗(yàn)證方法：接收 Token 串參數(shù)，加上 Key 前綴形成 Key，再傳入 value 值，執(zhí)行 Lua 表達(dá)式（Lua 表達(dá)式能保證命令執(zhí)行的原子性）進(jìn)行查找對(duì)應(yīng) Key 與刪除操作。執(zhí)行完成后驗(yàn)證命令的返回結(jié)果，如果結(jié)果不為空且非0，則驗(yàn)證成功，否則失敗。

@Slf4j
@Service
public?class?TokenUtilService?{

????@Autowired
????private?StringRedisTemplate?redisTemplate;

????/**
?????*?存入?Redis?的?Token?鍵的前綴
?????*/
????private?static?final?String?IDEMPOTENT_TOKEN_PREFIX?=?"idempotent_token:";

????/**
?????*?創(chuàng)建?Token?存入?Redis，并返回該?Token
?????*
?????*?@param?value?用于輔助驗(yàn)證的?value?值
?????*?@return?生成的?Token?串
?????*/
????public?String?generateToken(String?value)?{
????????//?實(shí)例化生成?ID?工具對(duì)象
????????String?token?=?UUID.randomUUID().toString();
????????//?設(shè)置存入?Redis?的?Key
????????String?key?=?IDEMPOTENT_TOKEN_PREFIX?+?token;
????????//?存儲(chǔ)?Token?到?Redis，且設(shè)置過(guò)期時(shí)間為5分鐘
????????redisTemplate.opsForValue().set(key,?value,?5,?TimeUnit.MINUTES);
????????//?返回?Token
????????return?token;
????}

????/**
?????*?驗(yàn)證?Token?正確性
?????*
?????*?@param?token?token?字符串
?????*?@param?value?value?存儲(chǔ)在Redis中的輔助驗(yàn)證信息
?????*?@return?驗(yàn)證結(jié)果
?????*/
????public?boolean?validToken(String?token,?String?value)?{
????????//?設(shè)置?Lua?腳本，其中?KEYS[1]?是?key，KEYS[2]?是?value
????????String?script?=?"if?redis.call('get',?KEYS[1])?==?KEYS[2]?then?return?redis.call('del',?KEYS[1])?else?return?0?end";
????????RedisScript?redisScript?=?new?DefaultRedisScript<>(script,?Long.class);
????????//?根據(jù)?Key?前綴拼接?Key
????????String?key?=?IDEMPOTENT_TOKEN_PREFIX?+?token;
????????//?執(zhí)行?Lua?腳本
????????Long?result?=?redisTemplate.execute(redisScript,?Arrays.asList(key,?value));
????????//?根據(jù)返回結(jié)果判斷是否成功成功匹配并刪除?Redis?鍵值對(duì)，若果結(jié)果不為空和0，則驗(yàn)證通過(guò)
????????if?(result?!=?null?&&?result?!=?0L)?{
????????????log.info("驗(yàn)證?token={},key={},value={}?成功",?token,?key,?value);
????????????return?true;
????????}
????????log.info("驗(yàn)證?token={},key={},value={}?失敗",?token,?key,?value);
????????return?false;
????}

}

4、創(chuàng)建測(cè)試的 Controller 類

創(chuàng)建用于測(cè)試的 Controller 類，里面有獲取 Token 與測(cè)試接口冪等性的接口，內(nèi)容如下：

@Slf4j
@RestController
public?class?TokenController?{

????@Autowired
????private?TokenUtilService?tokenService;

????/**
?????*?獲取?Token?接口
?????*
?????*?@return?Token?串
?????*/
????@GetMapping("/token")
????public?String?getToken()?{
????????//?獲取用戶信息（這里使用模擬數(shù)據(jù)）
????????//?注：這里存儲(chǔ)該內(nèi)容只是舉例，其作用為輔助驗(yàn)證，使其驗(yàn)證邏輯更安全，如這里存儲(chǔ)用戶信息，其目的為:
????????//?-?1)、使用"token"驗(yàn)證?Redis?中是否存在對(duì)應(yīng)的?Key
????????//?- 2)、使用"用戶信息"驗(yàn)證 Redis 的 Value 是否匹配。
????????String?userInfo?=?"mydlq";
????????//?獲取?Token?字符串，并返回
????????return?tokenService.generateToken(userInfo);
????}

????/**
?????*?接口冪等性測(cè)試接口
?????*
?????*?@param?token?冪等?Token?串
?????*?@return?執(zhí)行結(jié)果
?????*/
????@PostMapping("/test")
????public?String?test(@RequestHeader(value?=?"token")?String?token)?{
????????//?獲取用戶信息（這里使用模擬數(shù)據(jù)）
????????String?userInfo?=?"mydlq";
????????//?根據(jù)?Token?和與用戶相關(guān)的信息到?Redis?驗(yàn)證是否存在對(duì)應(yīng)的信息
????????boolean?result?=?tokenService.validToken(token,?userInfo);
????????//?根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果響應(yīng)不同信息
????????return?result???"正常調(diào)用"?:?"重復(fù)調(diào)用";
????}

}

最后總結(jié)

冪等性是開(kāi)發(fā)當(dāng)中很常見(jiàn)也很重要的一個(gè)需求，尤其是支付、訂單等與金錢掛鉤的服務(wù)，保證接口冪等性尤其重要。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，我們需要針對(duì)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景我們需要靈活的選擇冪等性的實(shí)現(xiàn)方式：

1. 對(duì)于下單等存在唯一主鍵的，可以使用“唯一主鍵方案”的方式實(shí)現(xiàn)。

2. 對(duì)于更新訂單狀態(tài)等相關(guān)的更新場(chǎng)景操作，使用“樂(lè)觀鎖方案”實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。

3. 對(duì)于上下游這種，下游請(qǐng)求上游，上游服務(wù)可以使用“下游傳遞唯一序列號(hào)方案”更為合理。

4. 類似于前端重復(fù)提交、重復(fù)下單、沒(méi)有唯一ID號(hào)的場(chǎng)景，可以通過(guò) Token 與 Redis 配合的“防重 Token 方案”實(shí)現(xiàn)更為快捷。

上面只是給與一些建議，再次強(qiáng)調(diào)一下，實(shí)現(xiàn)冪等性需要先理解自身業(yè)務(wù)需求，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣才合理，處理好其中的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)，完善整體的業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)，才能更好的保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。最后做一個(gè)簡(jiǎn)單總結(jié)，然后本博文到此結(jié)束，如下：

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