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基于Redis的分布式设备库存服务设计与实现

概述

本文介绍一个基于Redis实现的分布式设备库存服务方案，通过分布式锁、重试机制和事务补偿等关键技术，保证在并发场景下库存操作的原子性和一致性。该方案适用于物联网设备管理、分布式资源调度等场景。

代码实现

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.params.SetParams;// 模拟设备库存服务
public class DeviceInventoryService {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(DeviceInventoryService.class);private final Map<String, Integer> inventoryMap = new HashMap<>();private static final int MAX_RETRIES = 3;private static final int LOCK_EXPIRE_TIME = 10; // 锁的过期时间，单位：秒private final Jedis jedis;public DeviceInventoryService(Jedis jedis) {this.jedis = jedis;}// 初始化库存public void initializeInventory(String deviceId, int quantity) {inventoryMap.put(deviceId, quantity);logger.info("设备 {} 初始化库存为 {}", deviceId, quantity);}// 尝试获取分布式锁private boolean tryLock(String lockKey) {SetParams setParams = SetParams.setParams().nx().ex(LOCK_EXPIRE_TIME);String result = jedis.set(lockKey, "locked", setParams);return "OK".equals(result);}// 释放分布式锁private void releaseLock(String lockKey) {jedis.del(lockKey);}// 定时更新库存public boolean updateInventory(String deviceId, int updateQuantity) {String lockKey = "inventory_lock:" + deviceId;int retries = 0;//重试次数while (retries < MAX_RETRIES) {if (tryLock(lockKey)) {try {return doUpdateInventory(deviceId, updateQuantity);} catch (Exception e) {logger.error("设备 {} 库存更新失败，重试第 {} 次", deviceId, retries + 1, e);} finally {releaseLock(lockKey);}}retries++;try {Thread.sleep(100); // 等待一段时间后重试} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}logger.error("设备 {} 库存更新失败，达到最大重试次数", deviceId);return false;}// 实际执行库存更新操作private boolean doUpdateInventory(String deviceId, int updateQuantity) {int oldQuantity = inventoryMap.getOrDefault(deviceId, 0);try {// 记录操作日志logger.info("设备 {} 开始更新库存，更新前库存: {}", deviceId, oldQuantity);// 模拟更新操作int newQuantity = oldQuantity + updateQuantity;if (newQuantity < 0) {throw new IllegalArgumentException("库存不能为负数");}inventoryMap.put(deviceId, newQuantity);logger.info("设备 {} 库存更新成功，当前库存: {}", deviceId, newQuantity);return true;} catch (Exception e) {logger.error("设备 {} 库存更新失败: {}", deviceId, e.getMessage());// 进行事务补偿compensateInventory(deviceId, oldQuantity);return false;}}// 事务补偿private void compensateInventory(String deviceId, int oldQuantity) {inventoryMap.put(deviceId, oldQuantity);logger.info("设备 {} 库存已恢复到更新前的状态，当前库存: {}", deviceId, oldQuantity);}// 模拟定时任务public static void main(String[] args) {try (Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379)) {DeviceInventoryService service = new DeviceInventoryService(jedis);service.initializeInventory("device001", 10);// 模拟定时更新库存service.updateInventory("device001", 5);service.updateInventory("device001", -20); // 模拟更新失败}}}

核心设计

分布式锁机制

private boolean tryLock(String lockKey) {SetParams setParams = SetParams.setParams().nx().ex(LOCK_EXPIRE_TIME);String result = jedis.set(lockKey, "locked", setParams);return "OK".equals(result);
}

• 使用Redis的set nx ex命令实现原子性加锁
• 将锁的颗粒度设置到了设备上(根据实际业务设置)
• 设置10秒过期时间，防止死锁(根据实际业务设置过期时间)

重试机制

		int retries = 0;//重试次数while (retries < MAX_RETRIES) {if (tryLock(lockKey)) {try {return doUpdateInventory(deviceId, updateQuantity);} catch (Exception e) {logger.error("设备 {} 库存更新失败，重试第 {} 次", deviceId, retries + 1, e);} finally {releaseLock(lockKey);}}retries++;try {Thread.sleep(100); // 等待一段时间后重试} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}

• 最大重试次数三次(MAX_RETRIES)
• 如果没有获取到锁则等待重试，超过重试次数则终止

补偿机制

private void compensateInventory(String deviceId, int oldQuantity) {inventoryMap.put(deviceId, oldQuantity);logger.info("设备 {} 库存已恢复到更新前的状态，当前库存: {}", deviceId, oldQuantity);
}

• 在doUpdateInventory捕获异常后自动回滚
• 基于版本号/快照的恢复机制
• 保证最终数据一致性

关键代码解析

public boolean updateInventory(String deviceId, int updateQuantity) {String lockKey = "inventory_lock:" + deviceId;int retries = 0;while (retries < MAX_RETRIES) {if (tryLock(lockKey)) {try {return doUpdateInventory(deviceId, updateQuantity);} finally {releaseLock(lockKey);}}// ...重试逻辑...}return false;
}

• 获取设备级别的分布式锁
• 执行库存更新操作
• 无论成功失败都释放锁（finally保证）
• 达到重试上限后返回失败

核心操作方法

private boolean doUpdateInventory(String deviceId, int updateQuantity) {int oldQuantity = inventoryMap.getOrDefault(deviceId, 0);int newQuantity = oldQuantity + updateQuantity;if (newQuantity < 0) {throw new IllegalArgumentException("库存不能为负数");}inventoryMap.put(deviceId, newQuantity);return true;
}

• 前置校验：库存不能为负数
• 原子性操作：库存增减计算
• 事务性更新：先计算后写入

使用示例

初始化与测试

public static void main(String[] args) {try (Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379)) {DeviceInventoryService service = new DeviceInventoryService(jedis);service.initializeInventory("device001", 10);service.updateInventory("device001", 5);  // 成功：库存15service.updateInventory("device001", -20); // 失败：触发补偿}
}

预期输出

INFO - 设备 device001 初始化库存为 10
INFO - 设备 device001 开始更新库存，更新前库存: 10
INFO - 设备 device001 库存更新成功，当前库存: 15
INFO - 设备 device001 开始更新库存，更新前库存: 15
ERROR - 设备 device001 库存更新失败: 库存不能为负数
INFO - 设备 device001 库存已恢复到更新前的状态，当前库存: 15

扩展思考

优化方向

1. Redis集群支持：当前为单节点Redis，可升级为Redis Cluster
2. 锁续期机制：添加看门狗线程自动续期锁
3. 库存持久化：结合数据库实现库存持久化存储
4. 监控体系：添加Prometheus监控指标

注意事项

1. 网络分区场景下可能出现锁状态不一致
2. 库存更新操作应保持幂等性
3. Redis连接需要配置合理的超时参数
4. 生产环境建议使用Lua脚本保证原子性

通过本文实现的库存服务，在保证线程安全的基础上，能够有效应对分布式环境下的资源竞争问题。实际部署时建议结合具体业务场景进行压力测试和参数调优。