基于MySQL 和 Redis 扣减库存的方法

背景

在很多情况下，扣减库存是一个十分常见的需求，例如：学生选课系统中课程数量的扣减，抽奖系统中活动次数的扣减，电商系统中商品库存的扣减等，都涉及到数量的扣减，这些系统在成功扣减的前提下，绝对不能出现库存扣减多了的情况，也就是不能出现超卖。同时，我们也要注重系统性能的提升，这篇文章从这两个角度进行分析和讨论。

环境搭建

后台系统

基于 SpringBoot 搭建后台系统，JDK 为 1.8

<properties>
    <java.version>1.8</java.version>
    <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
    <project.reporting.outputEncoding>UTF-8</project.reporting.outputEncoding>
    <spring-boot.version>2.3.12.RELEASE</spring-boot.version>
</properties>
<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>

    <dependency>
        <groupId>mysql</groupId>
        <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.projectlombok</groupId>
        <artifactId>lombok</artifactId>
        <optional>true</optional>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>com.baomidou</groupId>
        <artifactId>mybatis-plus-boot-starter</artifactId>
        <version>3.5.2</version>
    </dependency>
</dependencies>

中间件

中间件使用 MySQL + Redis 进行数据的存储，使用 Mybatis 作为 ORM 框架

create database t_desc collate utf8mb4_general_ci;
use t_desc;
create table t_good (
    id bigint auto_increment primary key comment '自增id',
    good_name varchar(255) not null comment '商品名称',
    stock int not null comment '商品库存'
) comment '库存测试表';

insert into t_good(good_name, stock)  value('iphone', 50);

创建一张商品库存表，里面含有商品 id、商品名称 和库存 3 个字段，所有扣减库存的操作都在这张表上进行；

测试工具

使用 JMeter 5.5 进行测试

以下的库存数量统一设置为 50 个，线程组的数量为 10 个，循环 10 次，共 100 个扣减请求，最终正确的结果应该是扣减完毕后库存的数量应该为 0, 而不是 -50

扣减模式

基于数据库行锁 + CAS 实现库存的扣减

行锁

若直接直接在数据库层面进行库存的直接扣减，100 个线程同时进行请求，肯定会造成库存的超卖

SQL 语句为

<update id="descGoodStock">
  update t_desc.t_good
  set t_good.stock = t_good.stock - 1
  where id = #{id}
</update>

考虑到 update 语句，若根据主键索引作为条件进行更新，会对数据库的某一行加上行锁（数据库开启事务自动提交），所以我们加上 stock > 0 的判断条件

<update id="descGoodStockByLock">
        update t_desc.t_good
        set t_good.stock = t_good.stock - 1
        where id = #{id}
          and t_good.stock > 0
</update>

开启 JMeter 进行测试，可见没有超卖

CAS

CAS 即 Compare and Set，先把旧的库存查出来，再把旧的库存作为 update 的条件之一，若数据库中的库存与旧的库存一致，则进行更新，否则不进行更新。

其实本质上与行锁的方式没什么区别，而且多了一次查询，写这个方法只是为了记录而已

若有两个以上的线程先查询到了商品的旧库存，这种方法可能会出现扣不完的情况

Java 代码：

@PostMapping("/db")
public Map<String, Object> goodDescControllerByDataBase(Long id) {
    
    HashMap<String, Object> ret = new HashMap<>();

    // 查出旧的值
    Good good = goodMapper.selectStockById(id);
    // 再进行更新
    int i = goodMapper.descGoodStockCAS(id, good.getStock());

    if (i > 1) {
        ret.put("info", "success, 扣减成功");
    } else {
        ret.put("info", "fail, 扣减失败");
    }

    return ret;
}

SQL 语句

<update id="descGoodStockCAS">
        update t_desc.t_good
        set t_good.stock = t_good.stock - 1
        where id = #{id}
          and t_good.stock = #{stock}
          and t_good.stock > 0
    </update>

测试结果：

综上，基于数据库的两种扣减库存的方式都没有实现超卖，但是毕竟是数据库，数据存储于物理磁盘中，性能方面就有待考量；

基于 Redis 实现库存的扣减

基本思想是：我们把库存的数量提前放到 Redis 上，直接在 Redis 进行库存的扣减

• 先查询 redis 中的库存
• 若小于 0 直接返回
• 若大于 0 则进行 Redis 和 数据库 中的库存扣减

不过这里存在 并发 问题，考虑极限情况，两个线程同时获得 stock = 1，然后再去进行库存扣减，势必会造成超卖的现象

下面给出两种解决办法

使用 decrement 方法

redisTemplate.opsForValue().decrement()：对某个 key 进行减 1 操作，会返回扣减后的值

若该值大于等于 0 才进行数据库的库存的扣减，否则直接返回库存不足的提示

这种方法是基于 Redis 的指令是原子性的

Java 代码：

 @PostMapping("/redis")
    public Map<String, Object> goodDescControllerByRedis(Long id) throws InterruptedException {

        HashMap<String, Object> ret = new HashMap<>();
        ret.put("info", "fail, 扣减失败");
        // 查询 Redis 中的库存
        Integer stock = (Integer) redisTemplate.opsForValue().get(key + id);
        Thread.sleep(100);
        if (stock <= 0) {
            return ret;
        }

        // 扣减 redis 中库存
        Long decrement = redisTemplate.opsForValue().decrement(key + id);
        if (decrement >= 0) {
            // 扣减数据库库存
            goodMapper.descGoodStock(id);
            ret.put("info", "success, 扣减成功");
        }
        return ret;
    }

其实 decrement 方法是原子性的，可以不用对库存先进行查询的操作，只需要判断扣减后的数是否大于 0 即可。但是如果并发量高的话，建议还是加上判断的逻辑，可以提高 Redis 的性能，不用每次进行 decrement 操作；

缺点：这种办法会导致 Redis 中库存产生超卖现象，若对 Redis 中库存数量要求准确，就不要使用这种方法；

测试结果：

Redis 中的库存产生超卖现象：

MySQL 中的库存没有超卖：

使用 LUA 脚本

上述问题的关键是：查询 和 扣减 是两个分开操作，不是一条原子性的命令。我们可以使用 LUA 脚本，把这两条命令封装到 LUA 代码中，实现这两个操作的原子性

LUA 代码

---
--- Generated by EmmyLua(https://github.com/EmmyLua)
--- Created by Ezreal.
--- DateTime: 2023/5/6 21:56
---

if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 1) then
    local stock = tonumber(redis.call('get', KEYS[1]));
    if (stock <= 0) then
        return -1;
    end
    if (stock > 0) then
        redis.call('incrby', KEYS[1], -1);
        return 1;
    end
end
return -1

先获取值，然后判断库存数量，若没有小于等于 0 就先进行扣减即可

Java 代码

private static final DefaultRedisScript<Long> DECREASE_GOOD_STOCK_SCRIPT = new DefaultRedisScript<>();
static {
    DECREASE_GOOD_STOCK_SCRIPT.setLocation(new ClassPathResource("/lua/desc_stock.lua"));
    // 设置返回值类型
    DECREASE_GOOD_STOCK_SCRIPT.setResultType(Long.class);
}

@PostMapping("/lua")
public Map<String, Object> goodDescControllerByLUA(Long id) {
    List<String> keys = new ArrayList<>();
    keys.add("stock:" + id);
    HashMap<String, Object> ret = new HashMap<>();
    ret.put("info", "fail, 扣减失败");

    Long execute = redisTemplate.execute(DECREASE_GOOD_STOCK_SCRIPT, keys);
    if (execute == 1) {
        goodMapper.descGoodStock(id);
        ret.put("info", "success, 扣减成功");
    }
    return ret;
}

结果：Redis 和 MySQL 中的库存均为 0 ，没有超卖

使用分布式锁

可以使用 redisson 分布式锁进行扣减库存处理，锁住查询和扣减两个步骤即可；

若是在分布式环境下，要考虑 分布式锁 与 LUA 脚本的结合！

java 代码

@PostMapping("/lock")
public Map<String, Object> goodDescControllerByLock(Long id) throws InterruptedException {
    HashMap<String, Object> ret = new HashMap<>();
    ret.put("info", "fail, 扣减失败");

    // 加锁
    RLock lock = redissonClient.getLock("stock" + id);
    boolean tryLock = lock.tryLock(2L, 1L, TimeUnit.SECONDS);
    if (tryLock) {
        Integer stock = (Integer) redisTemplate.opsForValue().get(key + id);
        if (stock <= 0) {
            return ret;
        }

        Long decrement = redisTemplate.opsForValue().decrement(key + id);
        if (decrement >= 0) {
            goodMapper.descGoodStock(id);
            ret.put("info", "success, 扣减成功");
        }
    }
    return ret;
}

测试结果：

Redis 中库存数量没有超卖

MySQL 中库存数量没有超卖

总结

如果在项目初期流量较少可以考虑基于 数据库行锁 进行库存的扣减，到了后期流量大，几乎都要用到 Redis：

• decrement：追求简单快速实现，不考虑 Redis 库存中的准确性；
• LUA 脚本：追求 Redis 中库存的准确性，在 Redis 层面上要进行多重的条件判断
• Lock：追求 Redis 中库存的准确性，在分布式环境中要考虑 LUA + Lock 的结合