SpringBoot接口冪等性實現(xiàn)的4種方案！
作者 | 超級小豆丁
來源 | www.mydlq.club/article/94
目錄
什么是冪等性 什么是接口冪等性 為什么需要實現(xiàn)冪等性 引入冪等性后對系統(tǒng)的影響 Restful API 接口的冪等性 如何實現(xiàn)冪等性 方案一：數(shù)據(jù)庫唯一主鍵 方案二：數(shù)據(jù)庫樂觀鎖 方案三：防重 Token 令牌 方案四、下游傳遞唯一序列號 實現(xiàn)接口冪等示例 Maven 引入相關(guān)依賴 配置連接 Redis 的參數(shù) 創(chuàng)建與驗證 Token 工具類 創(chuàng)建測試的 Controller 類 創(chuàng)建 SpringBoot 啟動類 寫測試類進行測試 總結(jié)
系統(tǒng)環(huán)境：
Java JDK 版本：1.8
SpringBoot 版本：2.3.4.RELEASE
示例地址：
https://github.com/my-dlq/blog-example/tree/master/springboot/springboot-idempotent-token/
一、什么是冪等性
冪等是一個數(shù)學與計算機學概念，在數(shù)學中某一元運算為冪等時，其作用在任一元素兩次后會和其作用一次的結(jié)果相同。在計算機中編程中，一個冪等操作的特點是其任意多次執(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)不會影響系統(tǒng)狀態(tài)，也不用擔心重復(fù)執(zhí)行會對系統(tǒng)造成改變。
二、什么是接口冪等性
在HTTP/1.1中，對冪等性進行了定義。它描述了一次和多次請求某一個資源對于資源本身應(yīng)該具有同樣的結(jié)果（網(wǎng)絡(luò)超時等問題除外），即第一次請求的時候?qū)Y源產(chǎn)生了副作用，但是以后的多次請求都不會再對資源產(chǎn)生副作用。
這里的副作用是不會對結(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，其任意多次執(zhí)行對資源本身所產(chǎn)生的影響均與一次執(zhí)行的影響相同。
三、為什么需要實現(xiàn)冪等性
在接口調(diào)用時一般情況下都能正常返回信息不會重復(fù)提交，不過在遇見以下情況時可以就會出現(xiàn)問題，如：
前端重復(fù)提交表單： 在填寫一些表格時候，用戶填寫完成提交，很多時候會因網(wǎng)絡(luò)波動沒有及時對用戶做出提交成功響應(yīng)，致使用戶認為沒有成功提交，然后一直點提交按鈕，這時就會發(fā)生重復(fù)提交表單請求。
用戶惡意進行刷單： 例如在實現(xiàn)用戶投票這種功能時，如果用戶針對一個用戶進行重復(fù)提交投票，這樣會導致接口接收到用戶重復(fù)提交的投票信息，這樣會使投票結(jié)果與事實嚴重不符。
接口超時重復(fù)提交： 很多時候 HTTP 客戶端工具都默認開啟超時重試的機制，尤其是第三方調(diào)用接口時候，為了防止網(wǎng)絡(luò)波動超時等造成的請求失敗，都會添加重試機制，導致一個請求提交多次。
消息進行重復(fù)消費： 當使用 MQ 消息中間件時候，如果發(fā)生消息中間件出現(xiàn)錯誤未及時提交消費信息，導致發(fā)生重復(fù)消費。
使用冪等性最大的優(yōu)勢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)生的未知的問題。
四、引入冪等性后對系統(tǒng)的影響
冪等性是為了簡化客戶端邏輯處理，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：
把并行執(zhí)行的功能改為串行執(zhí)行，降低了執(zhí)行效率。
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；
所以在使用時候需要考慮是否引入冪等性的必要性，根據(jù)實際業(yè)務(wù)場景具體分析，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。
五、Restful API 接口的冪等性
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：
√ 滿足冪等
x 不滿足冪等
- 可能滿足也可能不滿足冪等，根據(jù)實際業(yè)務(wù)邏輯有關(guān)
六、如何實現(xiàn)冪等性
方案一：數(shù)據(jù)庫唯一主鍵
方案描述
數(shù)據(jù)庫唯一主鍵的實現(xiàn)主要是利用數(shù)據(jù)庫中主鍵唯一約束的特性，一般來說唯一主鍵比較適用于“插入”時的冪等性，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)庫唯一主鍵完成冪等性時需要注意的是，該主鍵一般來說并不是使用數(shù)據(jù)庫中自增主鍵，而是使用分布式 ID 充當主鍵，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：
① 客戶端執(zhí)行創(chuàng)建請求，調(diào)用服務(wù)端接口。
② 服務(wù)端執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，生成一個分布式 ID，將該 ID 充當待插入數(shù)據(jù)的主鍵，然后執(zhí)數(shù)據(jù)插入操作，運行對應(yīng)的 SQL 語句。
③ 服務(wù)端將該條數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫中，如果插入成功則表示沒有重復(fù)調(diào)用接口。如果拋出主鍵重復(fù)異常，則表示數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在該條記錄，返回錯誤信息到客戶端。
方案二：數(shù)據(jù)庫樂觀鎖
方案描述：
數(shù)據(jù)庫樂觀鎖方案一般只能適用于執(zhí)行“更新操作”的過程，我們可以提前在對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中多添加一個字段，充當當前數(shù)據(jù)的版本標識。這樣每次對該數(shù)據(jù)庫該表的這條數(shù)據(jù)執(zhí)行更新時，都會將該版本標識作為一個條件，值為上次待更新數(shù)據(jù)中的版本標識的值。
適用操作：
更新操作
使用限制：
需要數(shù)據(jù)庫對應(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，我們通常都會添加一個 version 字段記錄當前的記錄版本，這樣在更新時候?qū)⒃撝祹希敲粗灰獔?zhí)行更新操作就能確定一定更新的是某個對應(yīng)版本下的信息。
這樣每次執(zhí)行更新時候，都要指定要更新的版本號，如下操作就能準確更新 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 語句將不生效，因為 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，多次更新對結(jié)果不會產(chǎn)生影響。
方案三：防重 Token 令牌
方案描述：
針對客戶端連續(xù)點擊或者調(diào)用方的超時重試等情況，例如提交訂單，此種操作就可以用 Token 的機制實現(xiàn)防止重復(fù)提交。
簡單的說就是調(diào)用方在調(diào)用接口的時候先向后端請求一個全局 ID（Token），請求的時候攜帶這個全局 ID 一起請求（Token 最好將其放到 Headers 中），后端需要對這個 Token 作為 Key，用戶信息作為 Value 到 Redis 中進行鍵值內(nèi)容校驗，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。如果不存在對應(yīng)的 Key 或 Value 不匹配就返回重復(fù)執(zhí)行的錯誤信息，這樣來保證冪等操作。
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 進行數(shù)據(jù)效驗；
主要流程：
① 服務(wù)端提供獲取 Token 的接口，該 Token 可以是一個序列號，也可以是一個分布式 ID 或者 UUID 串。
② 客戶端調(diào)用接口獲取 Token，這時候服務(wù)端會生成一個 Token 串。
③ 然后將該串存入 Redis 數(shù)據(jù)庫中，以該 Token 作為 Redis 的鍵（注意設(shè)置過期時間）。
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，把 Token 存入到 Headers 中，執(zhí)行業(yè)務(wù)請求帶上該 Headers。
⑥ 服務(wù)端接收到請求后從 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)下無法保證冪等性。其實現(xiàn)方法可以使用分布式鎖或者使用 Lua 表達式來注銷查詢與刪除操作。
方案四、下游傳遞唯一序列號
方案描述：
所謂請求序列號，其實就是每次向服務(wù)端請求時候附帶一個短時間內(nèi)唯一不重復(fù)的序列號，該序列號可以是一個有序 ID，也可以是一個訂單號，一般由下游生成，在調(diào)用上游服務(wù)端接口時附加該序列號和用于認證的 ID。
當上游服務(wù)器收到請求信息后拿取該 序列號 和下游 認證ID 進行組合，形成用于操作 Redis 的 Key，然后到 Redis 中查詢是否存在對應(yīng)的 Key 的鍵值對，根據(jù)其結(jié)果：
如果存在，就說明已經(jīng)對該下游的該序列號的請求進行了業(yè)務(wù)處理，這時可以直接響應(yīng)重復(fù)請求的錯誤信息。
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），將該鍵值對存儲到 Redis 中 ，然后再正常執(zhí)行對應(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；
需要使用第三方組件 Redis 進行數(shù)據(jù)效驗；
主要流程：
主要步驟：
① 下游服務(wù)生成分布式 ID 作為序列號，然后執(zhí)行請求調(diào)用上游接口，并附帶“唯一序列號”與請求的“認證憑據(jù)ID”。
② 上游服務(wù)進行安全效驗，檢測下游傳遞的參數(shù)中是否存在“序列號”和“憑據(jù)ID”。
③ 上游服務(wù)到 Redis 中檢測是否存在對應(yīng)的“序列號”與“認證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)下游對應(yīng)的錯誤信息。如果不存在就以該“序列號”和“認證ID”組合作為 Key，以下游關(guān)鍵信息作為 Value，進而存儲到 Redis 中，然后正常執(zhí)行接來來的業(yè)務(wù)邏輯。
上面步驟中插入數(shù)據(jù)到 Redis 一定要設(shè)置過期時間。這樣能保證在這個時間范圍內(nèi)，如果重復(fù)調(diào)用接口，則能夠進行判斷識別。如果不設(shè)置過期時間，很可能導致數(shù)據(jù)無限量的存入 Redis，致使 Redis 不能正常工作。
七、實現(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求動作下的冪等性，實現(xiàn)邏輯可以看上面寫的”防重 Token 令牌”方案，接下來寫下實現(xiàn)這個邏輯的代碼。
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。
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
<modelVersion>4.0.0</modelVersion>
<parent>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
<version>2.3.4.RELEASE</version>
</parent>
<groupId>mydlq.club</groupId>
<artifactId>springboot-idempotent-token</artifactId>
<version>0.0.1</version>
<name>springboot-idempotent-token</name>
<description>Idempotent Demo</description>
<properties>
<java.version>1.8</java.version>
</properties>
<dependencies>
<!--springboot web-->
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>
<!--springboot data redis-->
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.apache.commons</groupId>
<artifactId>commons-pool2</artifactId>
</dependency>
<!--lombok-->
<dependency>
<groupId>org.projectlombok</groupId>
<artifactId>lombok</artifactId>
</dependency>
</dependencies>
<build>
<plugins>
<plugin>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
</plugin>
</plugins>
</build>
</project>
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)建與驗證方法，其中：
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，以用戶信息當成 Value，將信息存入 Redis 中。
Token 驗證方法： 接收 Token 串參數(shù)，加上 Key 前綴形成 Key，再傳入 value 值，執(zhí)行 Lua 表達式（Lua 表達式能保證命令執(zhí)行的原子性）進行查找對應(yīng) Key 與刪除操作。執(zhí)行完成后驗證命令的返回結(jié)果，如果結(jié)果不為空且非0，則驗證成功，否則失敗。
import java.util.Arrays;
import java.util.UUID;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.core.script.DefaultRedisScript;
import org.springframework.data.redis.core.script.RedisScript;
import org.springframework.stereotype.Service;
@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 用于輔助驗證的 value 值
* @return 生成的 Token 串
*/
public String generateToken(String value) {
// 實例化生成 ID 工具對象
String token = UUID.randomUUID().toString();
// 設(shè)置存入 Redis 的 Key
String key = IDEMPOTENT_TOKEN_PREFIX + token;
// 存儲 Token 到 Redis，且設(shè)置過期時間為5分鐘
redisTemplate.opsForValue().set(key, value, 5, TimeUnit.MINUTES);
// 返回 Token
return token;
}
/**
* 驗證 Token 正確性
*
* @param token token 字符串
* @param value value 存儲在Redis中的輔助驗證信息
* @return 驗證結(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<Long> 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，若果結(jié)果不為空和0，則驗證通過
if (result != null && result != 0L) {
log.info("驗證 token={},key={},value={} 成功", token, key, value);
return true;
}
log.info("驗證 token={},key={},value={} 失敗", token, key, value);
return false;
}
}
4、創(chuàng)建測試的 Controller 類
創(chuàng)建用于測試的 Controller 類，里面有獲取 Token 與測試接口冪等性的接口，內(nèi)容如下：
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import mydlq.club.example.service.TokenUtilService;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;
@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：這里存儲該內(nèi)容只是舉例，其作用為輔助驗證，使其驗證邏輯更安全，如這里存儲用戶信息，其目的為:
// - 1)、使用"token"驗證 Redis 中是否存在對應(yīng)的 Key
// - 2)、使用"用戶信息"驗證 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 驗證是否存在對應(yīng)的信息
boolean result = tokenService.validToken(token, userInfo);
// 根據(jù)驗證結(jié)果響應(yīng)不同信息
return result ? "正常調(diào)用" : "重復(fù)調(diào)用";
}
}
5、創(chuàng)建 SpringBoot 啟動類
創(chuàng)建啟動類，用于啟動 SpringBoot 應(yīng)用。
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
@SpringBootApplication
public class Application {
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(Application.class, args);
}
}
6、寫測試類進行測試
寫個測試類進行測試，多次訪問同一個接口，測試是否只有第一次能否執(zhí)行成功。
import org.junit.Assert;
import org.junit.Test;
import org.junit.runner.RunWith;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.http.MediaType;
import org.springframework.test.context.junit4.SpringRunner;
import org.springframework.test.web.servlet.MockMvc;
import org.springframework.test.web.servlet.request.MockMvcRequestBuilders;
import org.springframework.test.web.servlet.setup.MockMvcBuilders;
import org.springframework.web.context.WebApplicationContext;
@Slf4j
@SpringBootTest
@RunWith(SpringRunner.class)
public class IdempotenceTest {
@Autowired
private WebApplicationContext webApplicationContext;
@Test
public void interfaceIdempotenceTest() throws Exception {
// 初始化 MockMvc
MockMvc mockMvc = MockMvcBuilders.webAppContextSetup(webApplicationContext).build();
// 調(diào)用獲取 Token 接口
String token = mockMvc.perform(MockMvcRequestBuilders.get("/token")
.accept(MediaType.TEXT_HTML))
.andReturn()
.getResponse().getContentAsString();
log.info("獲取的 Token 串：{}", token);
// 循環(huán)調(diào)用 5 次進行測試
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
log.info("第{}次調(diào)用測試接口", i);
// 調(diào)用驗證接口并打印結(jié)果
String result = mockMvc.perform(MockMvcRequestBuilders.post("/test")
.header("token", token)
.accept(MediaType.TEXT_HTML))
.andReturn().getResponse().getContentAsString();
log.info(result);
// 結(jié)果斷言
if (i == 0) {
Assert.assertEquals(result, "正常調(diào)用");
} else {
Assert.assertEquals(result, "重復(fù)調(diào)用");
}
}
}
}
顯示如下：
[main] IdempotenceTest: 獲取的 Token 串：980ea707-ce2e-456e-a059-0a03332110b4
[main] IdempotenceTest: 第1次調(diào)用測試接口
[main] IdempotenceTest: 正常調(diào)用
[main] IdempotenceTest: 第2次調(diào)用測試接口
[main] IdempotenceTest: 重復(fù)調(diào)用
[main] IdempotenceTest: 第3次調(diào)用測試接口
[main] IdempotenceTest: 重復(fù)調(diào)用
[main] IdempotenceTest: 第4次調(diào)用測試接口
[main] IdempotenceTest: 重復(fù)調(diào)用
[main] IdempotenceTest: 第5次調(diào)用測試接口
[main] IdempotenceTest: 重復(fù)調(diào)用
八、總結(jié)
冪等性是開發(fā)當中很常見也很重要的一個需求，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。在實際開發(fā)中，我們需要針對不同的業(yè)務(wù)場景我們需要靈活的選擇冪等性的實現(xiàn)方式：
對于下單等存在唯一主鍵的，可以使用“唯一主鍵方案”的方式實現(xiàn)。
對于更新訂單狀態(tài)等相關(guān)的更新場景操作，使用“樂觀鎖方案”實現(xiàn)更為簡單。
對于上下游這種，下游請求上游，上游服務(wù)可以使用“下游傳遞唯一序列號方案”更為合理。
類似于前端重復(fù)提交、重復(fù)下單、沒有唯一ID號的場景，可以通過 Token 與 Redis 配合的“防重 Token 方案”實現(xiàn)更為快捷。
上面只是給與一些建議，再次強調(diào)一下，實現(xiàn)冪等性需要先理解自身業(yè)務(wù)需求，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯來實現(xiàn)這樣才合理，處理好其中的每一個結(jié)點細節(jié)，完善整體的業(yè)務(wù)流程設(shè)計，才能更好的保證系統(tǒng)的正常運行。最后做一個簡單總結(jié)，然后本博文到此結(jié)束，如下：
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和花一輩子都看不清的人，
注定是截然不同的搬磚生涯。
