大数据下高并发的处理详解

内容简介：对于我们开发的网站，如果网站的访问量非常大的话，那么我们就需要考虑相关的并发访问问题了。而并发问题是绝大部分的程序员头疼的问题，但话又说回来了，既然逃避不掉，那我们就要想想应对措施，今天我们就一起讨论一下常见的并发和同步吧。

对于我们开发的网站，如果网站的访问量非常大的话，那么我们就需要考虑相关的并发访问问题了。而并发问题是绝大部分的 程序员 头疼的问题，但话又说回来了，既然逃避不掉，那我们就要想想应对措施，今天我们就一起讨论一下常见的并发和同步吧。

首先为了更好的理解并发和同步，我们需要首先明白两个重要的概念：同步和异步

##同步和异步的区别和联系

所谓同步，就是一个线程执行一个方法或函数的时候，会阻塞其它线程，其他线程要等待它执行完毕才能继续执行。

异步，就是多个线程之间没有阻塞，多个线程同时执行。

通俗一点来说，同步就是一件事一件事的做，异步就是做一件事，不影响做其他事情。

例如：吃饭和说话，只能一件一件的来，因为只有一张嘴。

但是吃饭和听音乐是异步的，可以一起进行，因为听音乐并不影响我们吃饭。

对于Java程序员来说，Synchronized最为熟悉了，如果它作用于一个类的话，那么就是一个线程访问类的方法时，其他线程就会阻塞，相反，如果没有这个关键字来修饰的话，不同线程就可以在同一时间访问同一个方法，这就是异步。

##脏读和不可重复读

####脏读

脏读就是指当一个事务正在访问数据，并且对数据进行了修改，而这种修改还没有提交到数据库中，这是，另外一个事务也访问这个数据，然后使用了这个数据。因为这个数据是还没有提交的数据，那么另外一个事务读取的这个数据是脏数据(Dirty Data)，依据脏数据所做的操作可能是不正确的。

####不可重复读

在第一个事务读取数据后，第二个事务对数据进行了修改，导致第一个事务结束前再访问这个数据的时候，会发现两次读取到的数据是不一样的，因此称为不可重复读。

##如何处理并发和同步

今天讲的如何处理并发和同同步问题主要是通过锁机制。

我们需要明白，锁机制有两个层面。

一种是代码层次上的，如果 Java 中的同步锁Synchronized，另一种是数据库层次上的，比较典型的就是悲观锁(传统的物理锁)和乐观锁

####悲观锁

悲观锁，正如其名，它指的是对数据被外界(包括本系统当前的其他事务，以及来自外部系统的事务处理)修改持保守态度。因此，在这个数据处理过程中，将数据处于锁定状态。

悲观锁的实现，往往依靠数据库提供的锁机制(也只有数据库层提供的锁机制才能真正保证数据访问的排他性，否则，即使在本系统中实现了加锁机制，也无法保证外部系统不会修改数据)。

一个典型的倚赖数据库的悲观锁调用：

select * from account where name=”Erica” for update

这条 sql 语句锁定了 account 表中所有符合检索条件（ name=”Erica” ）的记录。

本次事务提交之前（事务提交时会释放事务过程中的锁），外界无法修改这些记录。

Hibernate 的悲观锁，也是基于数据库的锁机制实现。

下面的代码实现了对查询记录的加锁：

String hqlStr ="from TUser as user where user.name='Erica'";
Query query = session.createQuery(hqlStr);
query.setLockMode("user",LockMode.UPGRADE); // 加锁
List userList = query.list();// 执行查询，获取数据

观察运行期 Hibernate 生成的 SQL 语句：

select tuser0_.id as id, tuser0_.name as name, tuser0_.group_id as group_id, tuser0_.user_type as user_type, tuser0_.sex as sex from t_user tuser0_ where (tuser0_.name='Erica' ) for update

这里 Hibernate 通过使用数据库的 for update 子句实现了悲观锁机制。 Hibernate 的加锁模式有：

LockMode.NONE ： 无锁机制。 
LockMode.WRITE ： Hibernate 在 Insert 和 Update 记录的时候会自动获取
LockMode.READ ： Hibernate 在读取记录的时候会自动获取。

以上这三种锁机制一般由 Hibernate 内部使用，如 Hibernate 为了保证 Update过程中对象不会被外界修改，会在 save 方法实现中自动为目标对象加上 WRITE 锁。

LockMode.UPGRADE ：利用数据库的 for update 子句加锁。 
LockMode.UPGRADE_NOWAIT ： Oracle 的特定实现，利用 Oracle 的 for update nowait 子句实现加锁。

上面这两种锁机制是我们在应用层较为常用的，加锁一般通过以下方法实现：

Criteria.setLockMode
Query.setLockMode
Session.lock

注意，只有在查询开始之前（也就是 Hiberate 生成 SQL 之前）设定加锁，才会真正通过数据库的锁机制进行加锁处理，否则，数据已经通过不包含 for update子句的 Select SQL 加载进来，所谓数据库加锁也就无从谈起。

为了更好的理解 select… for update 的锁表的过程，本人将要以 mysql 为例，进行相应的讲解

开启两个测试窗口，其中一个窗口A执行命令：

mysql> begin;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> select * from empinfo for update;
+--------+----------+------+---------+
| Fempno | Fempname | Fage | Fsalary |
+--------+----------+------+---------+
| 1233   | sdfs     | NULL |    NULL |
| 324234 | sdf      |   38 |   12121 |
+--------+----------+------+---------+
2 rows in set (0.00 sec)

这个时候打开窗口B执行更新或插入操作：

mysql> update empinfo set Fage=12 where Fempno=1233;

这个时候窗口B的更新或插入操作不会执行，会一直在等待，直到A窗口的事务提交了：

mysql> commit;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

B窗口的更新才开始执行。

那么for update到底锁定表还是行呢？

由于InnoDB预设是Row-Level Lock，所以只有「明确」的指定主键，MySQL才会执行Row lock (只锁住被选取的资料例) ，否则MySQL将会执行Table Lock (将整个资料表单给锁住)。

例1: (明确指定主键，并且有此笔资料，row lock)

SELECT * FROM products WHERE id='3' FOR UPDATE;

SELECT * FROM products WHERE id='3' and type=1 FOR UPDATE;

例2: (明确指定主键，若查无此笔资料，无lock)

SELECT * FROM products WHERE id='-1' FOR UPDATE;

例3: (无主键，table lock)

SELECT * FROM products WHERE name='Mouse' FOR UPDATE;

例4: (主键不明确，table lock)

SELECT * FROM products WHERE id<>'3' FOR UPDATE;

例5: (主键不明确，table lock)

SELECT * FROM products WHERE id LIKE '3' FOR UPDATE;

注1: FOR UPDATE仅适用于InnoDB，且必须在交易区块(BEGIN/COMMIT)中才能生效。

注2: 要测试锁定的状况，可以利用MySQL的Command Mode ，开二个视窗来做测试。在MySql 5.0中测试确实是这样的

另外：MyAsim 只支持表级锁，InnerDB支持行级锁 添加了(行级锁/表级锁)锁的数据不能被其它事务再锁定，也不被其它事务修改(修改、删除） 。是表级锁时，不管是否查询到记录，都会锁定表。

到这里，悲观锁机制你应该了解一些了吧~

####乐观锁

相对悲观锁而言，乐观锁机制采取了更加宽松的加锁机制。悲观锁大多数情况下依 靠数据库的锁机制实现，以保证操作最大程度的独占性。但随之而来的就是数据库 性能的大量开销，特别是对长事务而言，这样的开销往往无法承受。如一个金融系统，当某个操作员读取用户的数据，并在读出的用户数据的基础上进 行修改时（如更改用户帐户余额），如果采用悲观锁机制，也就意味着整个操作过 程中（从操作员读出数据、开始修改直至提交修改结果的全过程，甚至还包括操作 员中途去煮咖啡的时间），数据库记录始终处于加锁状态，可以想见，如果面对几 百上千个并发，这样的情况将导致怎样的后果。乐观锁机制在一定程度上解决了这个问题。乐观锁，大多是基于数据版本 Version ）记录机制实现。何谓数据版本？即为数据增加一个版本标识，在基于数据库表的版本解决方案中，一般是通过为数据库表增加一个 “version” 字段来 实现。 读取出数据时，将此版本号一同读出，之后更新时，对此版本号加一。此时，将提 交数据的版本数据与数据库表对应记录的当前版本信息进行比对，如果提交的数据 版本号大于数据库表当前版本号，则予以更新，否则认为是过期数据。

假如数据库中账户余额为100，version为1，操作员A读出余额，并修改为50，而在A操作的同时操作员B也读出了账户余额100，并修改为80，A完成了操作录入系统，version从1加上1变为2，余额修改为50，操作员B也提交了记录，version也变为2，余额则是80，但是此时数据库发现，B提交的version为2，当前版本也是2，不满足 “ 提交版本必须大于记 录当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略。因此，操作员 B 的提交被驳回。 这样，就避免了操作员 B 用基于version=1 的旧数据修改的结果覆盖操作 员 A 的操作结果的可能。 从上面的例子可以看出，乐观锁机制避免了长事务中的数据库加锁开销（操作员 A和操作员 B 操作过程中，都没有对数据库数据加锁），大大提升了大并发量下的系 统整体性能表现。 需要注意的是，乐观锁机制往往基于系统中的数据存储逻辑，因此也具备一定的局 限性，如在上例中，由于乐观锁机制是在我们的系统中实现，来自外部系统的用户 余额更新操作不受我们系统的控制，因此可能会造成脏数据被更新到数据库中。在 系统设计阶段，我们应该充分考虑到这些情况出现的可能性，并进行相应调整（如 将乐观锁策略在数据库存储过程中实现，对外只开放基于此存储过程的数据更新途 径，而不是将数据库表直接对外公开）。 Hibernate 在其数据访问引擎中内置了乐观锁实现。如果不用考虑外部系统对数 据库的更新操作，利用 Hibernate 提供的透明化乐观锁实现，将大大提升我们的 生产力。

Hibernate使用乐观锁我只说一下注解的方式：

在Entity中加入以下代码

private int version;

@Version
@Column(name = "version",length = 11)
public int getVersion() {
	return version;
}
public void setVersion(int version) {
	this.version = version;
}

这样就可以轻松实现hibernate乐观锁方式。

##常见并发同步案例分析

####案例一:订票系统案例

某航班只有一张机票，假定有1w个人打开你的网站来订票，问你如何解决并发问题(可扩展到任何高并发网站要考虑的并发读写问题)

问题，1w个人来访问，票没出去前要保证大家都能看到有票，不可能一个人在看到票的时候别人就不能看了。到底谁能抢到，那得看这个人的“运气”（网络快慢等）

其次考虑的问题，并发，1w个人同时点击购买，到底谁能成交？总共只有一张票。

首先我们容易想到和并发相关的几个方案 ：

锁同步同步更多指的是应用程序的层面，多个线程进来，只能一个一个的访问，java中指的是syncrinized关键字。锁也有2个层面，一个是java中谈到的对象锁，用于线程同步；另外一个层面是数据库的锁；如果是分布式的系统，显然只能利用数据库端的锁来实现。

假定我们采用了同步机制或者数据库物理锁机制，如何保证1w个人还能同时看到有票，显然会牺牲性能，在高并发网站中是不可取的。使用hibernate后我们提出了另外一个概念：乐观锁、悲观锁（即传统的物理锁）；

采用乐观锁即可解决此问题。乐观锁意思是不锁定表的情况下，利用业务的控制来解决并发问题，这样即保证数据的并发可读性又保证保存数据的排他性，保证性能的同时解决了并发带来的脏数据问题。

hibernate中如何实现乐观锁：

前提：在现有表当中增加一个冗余字段，version版本号, long类型

原理：

1）只有当前版本号》=数据库表版本号，才能提交
2）提交成功后，版本号version ++

案例一:案例二、股票交易系统、银行系统，大数据量你是如何考虑的

首先，股票交易系统的行情表，每几秒钟就有一个行情记录产生，一天下来就有（假定行情3秒一个） 股票数量×20×60*6 条记录，一月下来这个表记录数量多大？ oracle中一张表的记录数超过100w后 查询性能就很差了，如何保证系统性能？

再比如，中国移动有上亿的用户量，表如何设计？把所有用于存在于一个表么？

所以，大数量的系统，必须考虑表拆分-（表名字不一样，但是结构完全一样），通用的几种方式：（视情况而定）

1）按业务分，比如 手机号的表，我们可以考虑 130开头的作为一个表，131开头的另外一张表 以此类推

2）利用oracle的表拆分机制做分表

3）如果是交易系统，我们可以考虑按时间轴拆分，当日数据一个表，历史数据弄到其它表。这里历史数据的报表和查询不会影响当日交易。

此外，我们还得考虑缓存

这里的缓存，指的不仅仅是hibernate，hibernate本身提供了一级二级缓存。这里的缓存独立于应用，依然是内存的读取，假如我们能减少数据库频繁的访问，那对系统肯定大大有利的。比如一个电子商务系统的商品搜索，如果某个关键字的商品经常被搜，那就可以考虑这部分商品列表存放到缓存（内存中去），这样不用每次访问数据库，性能大大增加。简单的缓存大家可以理解为自己做一个hashmap，把常访问的数据做一个key，value是第一次从数据库搜索出来的值，下次访问就可以从map里读取，而不读数据库；专业些的目前有独立的缓存框架比如 memcached 等，可独立部署成一个缓存服务器。

常见的提高高并发下访问的效率的手段

首先要了解高并发的的瓶颈在哪里？

可能是服务器网络带宽不够
可能web线程连接数不够
可能数据库连接查询上不去。

根据不同的情况，解决思路也不同。

像第一种情况可以增加网络带宽，DNS域名解析分发多台服务器。
负载均衡，前置代理服务器nginx、apache等等
数据库查询优化，读写分离，分表等等

最后复制一些在高并发下面需要常常需要处理的内容:

尽量使用缓存，包括用户缓存，信息缓存等，多花点内存来做缓存，可以大量减少与数据库的交互，提高性能。

用jprofiler等 工具 找出性能瓶颈，减少额外的开销。

优化数据库查询语句，减少直接使用hibernate等工具的直接生成语句（仅耗时较长的查询做优化）。

优化数据库结构，多做索引，提高查询效率。

统计的功能尽量做缓存，或按每天一统计或定时统计相关报表，避免需要时进行统计的功能。

能使用静态页面的地方尽量使用，减少容器的解析（尽量将动态内容生成静态html来显示）。

解决以上问题后，使用服务器集群来解决单台的瓶颈问题。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持 码农网

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