用幂等性解决重复消息问题
一般解决重复消息的办法是,在消费端,让我们消费消息的操作具备幂等性。 幂等(Idempotence) 本来是一个数学上的概念,它是这样定义的:如果一个函数 f(x) 满足:f(f(x)) = f(x),则函数 f(x) 满足幂等性。这个概念被拓展到计算机领域,被用来描述一个操作、方法或者服务。一个幂等操作的特点是,其任意多次执行所产生的影响均与一次执行的影响相同。 一个幂等的方法,使用同样的参数,对它进行多次调用和一次调用,对系统产生的影响是一样的。所以,对于幂等的方法,不用担心重复执行会对系统造成任何改变。 我们举个例子来说明一下。在不考虑并发的情况下,“将账户 X 的余额设置为 100 元”,执行一次后对系统的影响是,账户 X 的余额变成了 100 元。只要提供的参数 100 元不变,那即使再执行多少次,账户 X 的余额始终都是 100 元,不会变化,这个操作就是一个幂等的操作。 再举一个例子,“将账户 X 的余额加 100 元”,这个操作它就不是幂等的,每执行一次,账户余额就会增加 100 元,执行多次和执行一次对系统的影响(也就是账户的余额)是不一样的。 如果我们系统消费消息的业务逻辑具备幂等性,那就不用担心消息重复的问题了,因为同一条消息,消费一次和消费多次对系统的影响是完全一样的。也就可以认为,消费多次等于消费一次。 从对系统的影响结果来说:At least once + 幂等消费 = Exactly once。 那么如何实现幂等操作呢?最好的方式就是,从业务逻辑设计上入手,将消费的业务逻辑设计成具备幂等性的操作。但是,不是所有的业务都能设计成天然幂等的,这里就需要一些方法和技巧来实现幂等。 下面我给你介绍几种常用的设计幂等操作的方法:
1. 利用数据库的唯一约束实现幂等
例如我们刚刚提到的那个不具备幂等特性的转账的例子:将账户 X 的余额加 100 元。在这个例子中,我们可以通过改造业务逻辑,让它具备幂等性。 首先,我们可以限定,对于每个转账单每个账户只可以执行一次变更操作,在分布式系统中,这个限制实现的方法非常多,最简单的是我们在数据库中建一张转账流水表,这个表有三个字段:转账单 ID、账户 ID 和变更金额,然后给转账单 ID 和账户 ID 这两个字段联合起来创建一个唯一约束,这样对于相同的转账单 ID 和账户 ID,表里至多只能存在一条记录。 这样,我们消费消息的逻辑可以变为:“在转账流水表中增加一条转账记录,然后再根据转账记录,异步操作更新用户余额即可。”在转账流水表增加一条转账记录这个操作中,由于我们在这个表中预先定义了“账户 ID 转账单 ID”的唯一约束,对于同一个转账单同一个账户只能插入一条记录,后续重复的插入操作都会失败,这样就实现了一个幂等的操作。我们只要写一个 SQL,正确地实现它就可以了。 基于这个思路,不光是可以使用关系型数据库,只要是支持类似“INSERT IF NOT EXIST”语义的存储类系统都可以用于实现幂等,比如,你可以用 MYSQL的insert ignore、Redis 的 SETNX 命令来实现幂等消费。2. 为更新的数据设置前置条件
另外一种实现幂等的思路是,给数据变更设置一个前置条件,如果满足条件就更新数据,否则拒绝更新数据,在更新数据的时候,同时变更前置条件中需要判断的数据。这样,重复执行这个操作时,由于第一次更新数据的时候已经变更了前置条件中需要判断的数据,不满足前置条件,则不会重复执行更新数据操作。 比如,刚刚我们说过,“将账户 X 的余额增加 100 元”这个操作并不满足幂等性,我们可以把这个操作加上一个前置条件,变为:“如果账户 X 当前的余额为 500 元,将余额加 100 元”,这个操作就具备了幂等性。对应到消息队列中的使用时,可以在发消息时在消息体中带上当前的余额,在消费的时候进行判断数据库中,当前余额是否与消息中的余额相等,只有相等才执行变更操作。 但是,如果我们要更新的数据不是数值,或者我们要做一个比较复杂的更新操作怎么办?用什么作为前置判断条件呢?更加通用的方法是,给你的数据增加一个版本号属性,每次更数据前,比较当前数据的版本号是否和消息中的版本号一致,如果不一致就拒绝更新数据,更新数据的同时将版本号 +1,一样可以实现幂等更新。3. 记录并检查操作
如果上面提到的两种实现幂等方法都不能适用于你的场景,我们还有一种通用性最强,适用范围最广的实现幂等性方法:记录并检查操作,也称为“Token 机制或者 GUID(全局唯一 ID)机制”,实现的思路特别简单:在执行数据更新操作之前,先检查一下是否执行过这个更新操作。 具体的实现方法是,在发送消息时,给每条消息指定一个全局唯一的 ID,消费时,先根据这个 ID 检查这条消息是否有被消费过,如果没有消费过,才更新数据,然后将消费状态置为已消费。 原理和实现是不是很简单?其实一点儿都不简单,在分布式系统中,这个方法其实是非常难实现的。首先,给每个消息指定一个全局唯一的 ID 就是一件不那么简单的事儿,方法有很多,但都不太好同时满足简单、高可用和高性能,或多或少都要有些牺牲。更加麻烦的是,在“检查消费状态,然后更新数据并且设置消费状态”中,三个操作必须作为一组操作保证原子性,才能真正实现幂等,否则就会出现 Bug。 比如说,对于同一条消息:“全局 ID 为 8,操作为:给 ID 为 666 账户增加 100 元”,有可能出现这样的情况:- t0 时刻:Consumer A 收到条消息,检查消息执行状态,发现消息未处理过,开始执行“账户增加 100 元”;
- t1 时刻:Consumer B 收到条消息,检查消息执行状态,发现消息未处理过,因为这个时刻,Consumer A 还未来得及更新消息执行状态。