悲觀鎖｜林鼎淵 Dean Lin

[面試][資料庫]關聯式資料庫要如何設計避免超賣？

林鼎淵 — Mon, 04 Oct 2021 08:25:46 +0800

庫存只剩 1 件，但卻有 10 個人買到？

網路商城特賣會常常會推出特定商品限量 1 組的搶購活動，在搶購過程除了會產生高併發的問題外，同時也需要考慮到「商品會不會超賣」，在現實生活中聽起來很不可思議；但在網路的世界裡，如果SQL邏輯沒有設計好，真的可能發生明明只限 1 組卻賣了 10 組商品的超賣事件。

大綱

關聯式資料庫要如何設計避免超賣？
- 1.1 面試官為什麼會問？
- 1.2 面試官想從答案確認什麼？
- 1.3 筆者提供的簡答
回答問題所需具備的知識
- 2.1 什麼是悲觀鎖（Pessimistic Lock）？
- 2.2 什麼是樂觀鎖（Optimistic Lock）？
- 2.3 在 MySQL DB 實作悲觀鎖
- 2.4 在 MySQL DB 實作樂觀鎖
衍伸問題
- 3.1 悲觀鎖、樂觀鎖優缺點

1. 關聯式資料庫要如何設計避免超賣？

1.1 面試官為什麼會問？

這算是資料庫的常見面試題，對金融、電商相關產業來說都快要變成必考題了。

通常問完這題後會緊接著詢問：「如果是用 noSQL 有什麼處理方案？」這部分會在明天的文章跟大家講解。

1.2 面試官想從答案確認什麼？

是否有資料庫 Transaction 的概念
了解悲觀鎖（Pessimistic Lock）、樂觀鎖（Optimistic Lock）的概念
知道悲觀鎖（Pessimistic Lock）、樂觀鎖（Optimistic Lock）優缺點、使用情境

1.3 筆者提供的簡答

我會依照不同的情境來做設計，如果寫入需求較高，我會選擇使用悲觀鎖（Pessimistic Lock）；因為它是直接使用資料庫 Transaction 的機制，保證了資料的穩定性。

如果讀取需求較高，我會選擇使用樂觀鎖（Optimistic Lock）；因為它可以承受較高的吞吐量，不過它鎖的特性會導致購買順序未必是先到先得，只是保證不會超賣。

2. 回答問題所需具備的知識

2.1 什麼是悲觀鎖（Pessimistic Lock）？

就跟字面上的意思一樣，非常的悲觀；它認為 Table 裡面的 data 非常不安全，無時無刻都在變動，當一個 SQL command（可以理解為搶購的用戶）獲得悲觀鎖後，其他的 SQL command 無法對這個 data 進行修改，直到悲觀鎖被釋放後才能執行。

資料表中用 Synchronized 實現的鎖均為悲觀鎖（ex：行鎖，表鎖，讀鎖，寫鎖）。

2.2 什麼是樂觀鎖（Optimistic Lock）？

相比悲觀鎖，它認為 Table 裡面的 data 變動頻率不會太頻繁，因此他會允許多個 SQL command 來操作 Table；但樂觀並不代表不負責，通常會在 Table 中增加一個 version 的欄位來做更新的確認。因此當 SQL command 想要變更欄位 data 時，會把之前取出的 version 跟現在的 version 做對比，如果相同就代表這段期間沒人修改可以執行；如果不同這次的操作就不會生效。

2.3 在 MySQL DB 實作悲觀鎖

情境描述：

假設 A 跟 B 都想要買 iphone 手機，但商城的 iphone 庫存只剩下一隻，在不加鎖的狀況下同時下單會導致庫存變成負號；請問如何用悲觀鎖解決這個問題呢？

只要安裝好 MySQL，跟著步驟操作即可模擬 A、B 客戶搶購。

STEP 1：建立模擬資料

先用 SQL command 建立一個簡單的 Table 並新增 data。

CREATE TABLE `your_DB`.`items` (
`id` INT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`name` VARCHAR(45) NOT NULL,
`num` INT NOT NULL,
PRIMARY KEY (`id`));
INSERT INTO `your_DB`.`items` (`name`,`num`)
VALUES ("iphone",1);

確認資料是否建立成功。
```
SELECT * FROM `your_DB`.`items`;
```

STEP 2：開一個視窗模擬 A 客戶搶購行為
- Transaction 的開始要用 begin;，不然 MySQL 會自動提交。
- 在 A 購買前先將 id=1 的 data 加上悲觀鎖，此時這行 data 只有 A 可以操作。
```
select num from `your_DB`.`items` where id = 1 for update;
```
STEP 3：開另一個視窗模擬 B 客戶搶購行為
- 一樣將 id=1 的 data 加上悲觀鎖，下完指令後便會進入等待的模式，要等 A 執行 commit 完成交易或是指令逾時才能繼續。
STEP 4：回到 A 客戶的視窗完成交易
- 讓 A 執行購買的動作，將 data 的 num 減一。
```
update `your_DB`.`items` set num = num -1 where id = 1;
```
- 然後檢視修改後的 data 是否符合預期。
```
select num from `your_DB`.`items` where id = 1;
```
- 最後下 commit; 結束這次交易。
STEP 5：當 A 完成交易後回到 B 的視窗
你會發現因為 A 釋放了悲觀鎖，所以 B 結束等待並且獲得鎖；但 data 的 num 已經變成 0 了，只能放棄購買。

7.89 秒是等待獲得鎖的時間。

2.4 在 MySQL DB 實作樂觀鎖

情境描述：

假設 A 跟 B 都想要買 iphone 手機，但商城的 iphone 庫存只剩下一隻，在不加鎖的狀況下同時下單會導致庫存變成負號；請問如何用樂觀鎖解決這個問題呢？

觀察兩者實作上的邏輯差異。

STEP 1：建立模擬資料

先用 SQL command 建立一個簡單的 Table 並插入 data，比起悲觀鎖的 Table，我們多了一個 version 的欄位。

CREATE TABLE `your_DB`.`happy_items` (
`id` INT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`name` VARCHAR(45) NOT NULL,
`num` INT NOT NULL,
`version` INT NOT NULL,
PRIMARY KEY (`id`));
INSERT INTO `your_DB`.`happy_items` (`name`,`num`,`version`)
VALUES ("iphone",1,0);

確認資料是否建立成功。
```
SELECT * FROM `your_DB`.`happy_items`;
```

STEP 2：規劃實作邏輯思路
- A 跟 B 客戶在購買前會先將 id=1 的 data 找出來。
- A 先購買，此時會以 id=1 和 version=0 作為 where 條件來更新 data，更新後 num -1、version +1 變成 id=1、num=0、version=1。
- B 購買時會因為同樣是用 id=1 和 version=0 為 where 條件，所以會因為找不到 data 而無法更新。
STEP 3：模擬搶購情境，A 跟 B 客戶購買前先查詢庫存
- A 及 B 執行查詢的 SQL command 會取得相同的 iphone 庫存資訊。
```
SELECT num,version FROM `your_DB`.`happy_items` where id = 1;
```

STEP 4：A 先執行購買的 SQL command

A 先購買 iphone 並更新 data。

update `your_DB`.`happy_items` set num = num -1 , version = version + 1 where id = 1 and version = 0;

檢視修改後的 data 是否符合預期。

SELECT num,version FROM `your_DB`.`happy_items` where id = 1;

STEP 5：B 再執行購買的 SQL command
- 此時 B 的購買就會失敗，在執行購買的 SQL command 後你會發現沒有 Row 被更新，因為庫存資訊已更新，但 SQL command 還是舊的。

3. 衍伸問題

3.1 悲觀鎖、樂觀鎖優缺點

考點：對於關聯式資料庫「鎖」的認知程度

悲觀鎖（Pessimistic Lock）
- 優點
  使用資料庫 Transaction 的機制來強迫執行的順序。
- 缺點
  一但加入 Transaction 的機制，會導致其他的 SQL command 針對這個 data 除了查詢功能外全部卡死，如果這段 Transaction 執行時間較長，會給使用者不良的體驗並造成系統吞吐量下降。
樂觀鎖（Optimistic Lock）
- 優點
  因為沒有在資料庫加鎖，所以 SQL command 都會對 data 進行操作，只有在更新 data 時才會做驗證；這樣做就能避免因使用悲觀鎖而導致吞吐量下降的問題。
- 缺點
  因為樂觀鎖是我們人為實現的，所以如果換一個業務場景可能會不適用，甚至可能因為其他的 SQL command 導致錯誤。

感謝大家的閱讀，如果喜歡我的文章可以訂閱接收通知；如果有幫助到你，按Like可以讓我更有寫文的動力，我們明天見～

參考資源

理解資料庫『悲觀鎖』和『樂觀鎖』的觀念(筆者部落格)

在許多人的幫助下，本系列文章已成功出版，除了添加新的篇章，更完善了每個案例的應對進退；如果對現在的職涯感到迷茫，也許這本書能帶給你不一樣的觀點～

天瓏書局： https://www.tenlong.com.tw/products/9786263334571

理解資料庫『悲觀鎖』和『樂觀鎖』的觀念

林鼎淵 — Fri, 12 Mar 2021 18:15:06 +0800

沒有經過實際操作的理論都只是空談，這篇文章我會附上自己的MySQL 語法方便大家在自己的環境中驗證這個資料庫的觀念，讓日後處理併發問題時有更完整的思路。

一、為什麼要了解他們 🔐？
二、從字面上了解悲觀鎖、樂觀鎖
三、在 MySQL DB 實作悲觀鎖
四、在 MySQL DB 實作樂觀鎖
五、悲觀鎖、樂觀鎖優缺點

一、為什麼要了解他們 🔐？

網路商城開特賣會的時候常常會推出一件商品只限 10 人搶購，在搶購的過程除了會產生高併發的問題外，同時也需要考慮到『商品會不會超賣』，在現實生活中聽起來很像不可思議，但在網路的世界裡如果沒做好資料庫的防護真的可能發生明明只限 10 人搶購卻有 30 個人搶到商品的超賣事件。

❓ 今天想要解決的問題：

假設 A 跟 B 都想要買 iphone 手機，但商城的 iphone 庫存只剩下一隻，在不加鎖的狀況下同時下單會導致庫存變成負號；實作上要如何解決這個問題呢？

二、從字面上了解悲觀鎖、樂觀鎖

😭 悲觀鎖 —Pessimistic Lock

就跟字面上的意思一樣，非常的悲觀；他認為 table 裡面的 data 非常的不安全，無時無刻都在變動，當一個SQL command(可以理解為搶購的用戶)獲得悲觀鎖後，其他的 SQL command 無法對這個 data 進行修改，直到悲觀鎖被釋放後才能執行。

資料表中用 syncronized 實現的鎖均為悲觀鎖(ex：行鎖，表鎖，讀鎖，寫鎖)

😃 樂觀鎖 — Optimistic Lock

相比悲觀鎖，他認為 table 裡面的 data 變動頻率不會太頻繁，因此他會允許多個 SQL command 來操作 table；但樂觀並不代表不負責，通常會在 table 中增加一個 version 的欄位來做更新的確認。因此當 SQL command 想要變更欄位 data 時會先把之前取出 version 跟 table 現在的 version 做對比，如果相同就代表這段期間沒人修改可以執行；如果不同就會禁止這次的操作。

三、在 MySQL DB 實作悲觀鎖

A. 建立模擬資料：

先用 SQL command 建立一個簡單的 table 並插入 data

CREATE TABLE `your_DB`.`items` (
  `id` INT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` VARCHAR(45) NOT NULL,
  `num` INT NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`));
INSERT INTO `your_DB`.`items` (`name`,`num`)
VALUES ("iphone",1);

原始碼：create_mock_item_table.sql（GitHub Gist）

直接進去 MySQL command line 模式貼上去就好嚕

用 SELECT * FROM `your_DB`.`items`; 確認一下資料是否建立成功

B. 用悲觀鎖解決 iphone 購買問題

STEP 1：開一個視窗模擬 A 的行為，我們先在 A 購買前先將 id=1 的 data 加上悲觀鎖，此時這行 data 只有 A 可以操作

Transaction 的開始要用 begin;，不然 MySQL 會自動提交

接著用 select num from `your_DB`.`items` where id = 1 for update; 將 id = 1 的 data 加上悲觀鎖

STEP 2：此時開另一個視窗模擬 B 的行為，一樣將 id=1 的 data 加上悲觀鎖

你會發現會進入等待的模式，要等 A 執行 commit 完成交易或是指令逾時才能繼續

STEP 3：回到 A 的視窗，接著我們讓 A 執行購買的動作將 data 的 num 減一，然後檢視修改後的 data 是否符合預期，最後下 commit 結束這次交易

購買： update `your_DB`.`items` set num = num -1 where id = 1; ，檢視修改：select num from `your_DB`.`items` where id = 1; ，結束交易：commit;

STEP 4：當 A 完成下單後回到 B 的視窗，你會發現因為 A 釋放了悲觀鎖，所以 B 結束等待並且獲得鎖，但 data 的 num 已經變成了 0 只能放棄購買

7.89 秒是等待獲得鎖的時間

四、在 MySQL DB 實作樂觀鎖

A. 建立模擬資料：

先用 SQL command 建立一個簡單的 table 並插入 data，比起悲觀鎖的 table，我們多了一個 version 的欄位

CREATE TABLE `your_DB`.`happy_items` (
  `id` INT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` VARCHAR(45) NOT NULL,
  `num` INT NOT NULL,
  `version` INT NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`));
INSERT INTO `your_DB`.`happy_items` (`name`,`num`,`version`)
VALUES ("iphone",1,0);

原始碼：create_mock_happy_item_table.sql（GitHub Gist）

直接進去 MySQL command line 模式貼上去就好嚕

用 SELECT * FROM `your_DB`.`happy_items`; 確認一下資料是否建立成功

B. 用樂觀鎖解決 iphone 購買問題

思路：A 跟 B 在下單前會先將 id=1 的 data 找出來，然後 A 先買，此時會以 table 的 id=1 和 version=0 作為條件來更新 data，更新後 num 減一、version 加一變成 id=1、num=0、version=1；此時 B 購買時會因為用 id=1 和 version=0找不到 data 而無法更新。

STEP 1：A 及 B 執行查詢的 SQL command 會取得相同的 iphone 庫存資訊

用 SELECT num,version FROM `your_DB`.`happy_items` where id = 1; 找出 iphone 庫存資訊

STEP 2：A 先購買了 iphone 來更新 data，然後檢視修改後的 data 是否符合預期

購買：update `your_DB`.`happy_items` set num = num -1 , version = version + 1 where id = 1 and version = 0; ，檢視修改：SELECT num,version FROM `your_DB`.`happy_items` where id = 1;

STEP 3：此時 B 想要購買時就會無法更新 data，執行購買的 SQL command後你會發現沒有 Row 被更新

購買：update `your_DB`.`happy_items` set num = num -1 , version = version + 1 where id = 1 and version = 0;

五、悲觀鎖、樂觀鎖優缺點

😭 悲觀鎖 — Pessimistic Lock

優點：使用資料庫 Transaction 的機制來強迫執行的順序

缺點：一但加入 Transaction 的機制會導致其他的 SQL command 針對這個 data 除了查詢功能外全部卡死，如果這段 Transaction 執行時間較長會給使用者不良的體驗並造成系統吞吐量下降

😃 樂觀鎖 — Optimistic Lock

優點：因為沒有在資料庫加鎖，所以 SQL command 都會購對 data 進行操作，只有在更新 data 時才會做驗證；這樣就避免悲觀鎖導致的吞吐量下降的問題

缺點：因為樂觀鎖是我們人為實現的，所以如果換一個業務場景可能會不適用，甚至可能因為其他的 SQL command 導致錯誤。

參考資源：關於悲觀鎖和樂觀鎖的個人圖解、商品秒殺問題