【技术应用】java接口幂等性实现方案

一、前言

最近在做一个线上的项目，与之前内网项目还是有很多差别的，尤其在安全性和并发性的处理上，要多做一些措施，第一步就是接口的幂等性上，这也是接口并发请求安全的兜底保护，针对实际的业务场景，总结实现了一个接口幂等性的demo，在此分享一下；

二、幂等性

1、概念：

• 幂等性原本是数学上的概念，即使公式：f(x)=f(f(x)) 能够成立的数学性质。用在编程领域，则意为对同一个系统，使用同样的条件，一次请求和重复的多次请求对系统资源的影响是一致的。
• 幂等性是分布式系统设计中十分重要的概念，具有这一性质的接口在设计时总是秉持这样的一种理念：调用接口发生异常并且重复尝试时，总是会造成系统所无法承受的损失，所以必须阻止这种现象的发生。
• 实现幂等的方式很多，目前基于请求令牌机制适用范围较广。其核心思想是为每一次操作生成一个唯一性的凭证，也就是 token。一个 token在操作的每一个阶段只有一次执行权，一旦执行成功则保存执行结果。对重复的请求，返回同一个结果（报错）等。

2、接口幂等性设计原因

1）前端重复提交表单
在填写一些表格时候，用户填写完成提交，很多时候会因网络波动没有及时对用户做出提交成功响应，致使用户认为没有成功提交，然后一直点提交按钮，这时就会发生重复提交表单请求。

2）黑客恶意攻击
例如在实现用户投票这种功能时，如果黑客针对一个用户进行重复提交投票，这样会导致接口接收到用户重复提交的投票信息，这样会使投票结果与事实严重不符。

3）接口超时重复提交
大部分RPC框架[比如Dubbo]，为了防止网络波动超时等造成的请求失败，都会添加重试机制，导致一个请求提交多次。

4）消息重复消费
当使用 MQ 消息中间件时候，如果Consumer消费超时或者producer发送了消息但由于网络原因未收到ACK导致消息重发，都会导致重复消费。

3、哪些接口需要幂等？

幂等性的实现与判断需要消耗一定的资源，因此不应该给每个接口都增加幂等性判断，要根据实际的业务情况和操作类型来进行区分。例如，我们在进行查询操作和删除操作时就无须进行幂等性判断。

查询操作查一次和查多次的结果都是一致的，因此我们无须进行幂等性判断。删除操作也是一样，删除一次和删除多次都是把相关的数据进行删除（这里的删除指的是条件删除而不是删除所有数据），因此也无须进行幂等性判断。

所以到底哪些接口需要幂等？关于这个问题需要从具体业务出发，但是也有规律可循如下表：

三、幂等设计思路

1. 请求开始前，根据 key 查询 查到结果：报错 未查到结果：存入 key-value-expireTime
   key=ip+url+args
2. 请求结束后，直接删除 key 不管 key 是否存在，直接删除 是否删除，可配置
3. expireTime 过期时间，防止一个请求卡死，会一直阻塞，超过过期时间，自动删除 过期时间要大于业务执行时间，需要大概评估下;
4. 此方案直接切的是接口请求层面。
5. 过期时间需要大于业务执行时间，否则业务请求 1 进来还在执行中，前端未做遮罩，或者用户跳转页面后再回来做重复请求
   2，在业务层面上看，结果依旧是不符合预期的。
6. 建议 delKey = false。即使业务执行完，也不删除 key，强制锁 expireTime 的时间。预防 5 的情况发生。
7. 实现思路：同一个请求 ip 和接口，相同参数的请求，在 expireTime 内多次请求，只允许成功一次。
8. 页面做遮罩，数据库层面的唯一索引，先查询再添加，等处理方式应该都处理下。
9. 此设计只用于幂等，不用于锁，100 个并发这种压测，会出现问题，在这种场景下也没有意义，实际中用户也不会出现 1s 或者 3s内手动发送了 50 个或者 100 个重复请求,或者弱网下有 100 个重复请求；

四、实现代码

1、自定义注解

自定义注解Idempotent

package com.sk.idempotenttest.annotation;

import java.lang.annotation.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @description: Idempotent annotation
 *
 * @author dylan
 *
 */
@Inherited
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(value = RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Idempotent {
    
    


    /**
     * 是否做幂等处理
     * false：非幂等
     * true：幂等
     * @return
     */
    boolean isIdempotent() default false;

    /**
     * 有效期
     * 默认：1
     * 有效期要大于程序执行时间，否则请求还是可能会进来
     * @return
     */
    int expireTime() default 1;

    /**
     * 时间单位
     * 默认：s
     * @return
     */
    TimeUnit timeUnit() default TimeUnit.SECONDS;

    /**
     * 提示信息，可自定义
     * @return
     */
    String info() default "重复请求，请稍后重试";

    /**
     * 是否在业务完成后删除key
     * true:删除
     * false:不删除
     * @return
     */
    boolean delKey() default false;
}

注解使用：

@Idempotent(isIdempotent = true,expireTime = 10,timeUnit = TimeUnit.SECONDS,info = "请勿重复请求",delKey = false)
@GetMapping("/test")
public String test(){
    
    
  return "哈哈哈";
}

注解属性说明：

• key: 幂等操作的唯一标识，使用 spring el 表达式 用#来引用方法参数 。 可为空则取当前 url + args
  做请求的唯一标识
• expireTime: 有效期 默认：1 有效期要大于程序执行时间，否则请求还是可能会进来
• timeUnit: 时间单位 默认：s （秒）
• info: 幂等失败提示信息，可自定义
• delKey: 是否在业务完成后删除 key true:删除 false:不删除

2、切面实现

package com.sk.idempotenttest.aspect;

import com.sk.idempotenttest.annotation.Idempotent;
import com.sk.idempotenttest.exception.IdempotentException;
import com.sk.idempotenttest.utils.ServerTool;
import lombok.RequiredArgsConstructor;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.aspectj.lang.JoinPoint;
import org.aspectj.lang.annotation.After;
import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;
import org.aspectj.lang.annotation.Before;
import org.aspectj.lang.annotation.Pointcut;
import org.aspectj.lang.reflect.MethodSignature;
import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RMapCache;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.util.CollectionUtils;
import org.springframework.web.context.request.RequestContextHolder;
import org.springframework.web.context.request.ServletRequestAttributes;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import java.lang.reflect.Method;
import java.time.LocalDateTime;
import java.util.Arrays;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @description: The Idempotent Aspect
 *
 * @author dylan
 *
 */
@Slf4j
@Aspect
@Component
@RequiredArgsConstructor
public class IdempotentAspect {
    
    

    private ThreadLocal<Map<String,Object>> threadLocal = new ThreadLocal();
    private static final String RMAPCACHE_KEY = "idempotent";
    private static final String KEY = "key";
    private static final String DELKEY = "delKey";

    private final Redisson redisson;


    @Pointcut("@annotation(com.sk.idempotenttest.annotation.Idempotent)")
    public void pointCut(){
    
    }

    @Before("pointCut()")
    public void beforePointCut(JoinPoint joinPoint)throws Exception{
    
    
        ServletRequestAttributes requestAttributes =
                (ServletRequestAttributes) RequestContextHolder.getRequestAttributes();
        HttpServletRequest request = requestAttributes.getRequest();

        MethodSignature signature = (MethodSignature)joinPoint.getSignature();
        Method method = signature.getMethod();
        if(!method.isAnnotationPresent(Idempotent.class)){
    
    
            return;
        }
        Idempotent idempotent = method.getAnnotation(Idempotent.class);
        boolean isIdempotent = idempotent.isIdempotent();
        if(!isIdempotent){
    
    
            return;
        }

        String ip = ServerTool.getIpAddress(request);
        String url = request.getRequestURL().toString();
        String argString  = Arrays.asList(joinPoint.getArgs()).toString();
        String key = ip+ url + argString;  //key主要用于对请求者，请求客户端的请求频次做限制，也可以使用token作为key

        long expireTime = idempotent.expireTime();
        String info = idempotent.info();
        TimeUnit timeUnit = idempotent.timeUnit();
        boolean delKey = idempotent.delKey();

        //do not need check null
        RMapCache<String, Object> rMapCache = redisson.getMapCache(RMAPCACHE_KEY);
        String value = LocalDateTime.now().toString().replace("T", " ");
        Object v1;
        if (null != rMapCache.get(key)){
    
    
            //had stored
            throw new IdempotentException(info);
        }
        synchronized (this){
    
    
            v1 = rMapCache.putIfAbsent(key, value, expireTime, TimeUnit.SECONDS);
            if(null != v1){
    
    
                throw new IdempotentException(info);
            }else {
    
    
                log.info("[idempotent]:has stored key={},value={},expireTime={}{},now={}",key,value,expireTime,timeUnit,LocalDateTime.now().toString());
            }
        }

        Map<String, Object> map =
                CollectionUtils.isEmpty(threadLocal.get()) ? new HashMap<>(4):threadLocal.get();
        map.put(KEY,key);
        map.put(DELKEY,delKey);
        threadLocal.set(map);

    }

    @After("pointCut()")
    public void afterPointCut(JoinPoint joinPoint){
    
    
        Map<String,Object> map = threadLocal.get();
        if(CollectionUtils.isEmpty(map)){
    
    
            return;
        }

        RMapCache<Object, Object> mapCache = redisson.getMapCache(RMAPCACHE_KEY);
        if(mapCache.size() == 0){
    
    
            return;
        }

        String key = map.get(KEY).toString();
        boolean delKey = (boolean)map.get(DELKEY);

        if(delKey){
    
    
            mapCache.fastRemove(key);
            log.info("[idempotent]:has removed key={}",key);
        }
        threadLocal.remove();
    }
}

3、全局异常处理

GlobalExceptionHandler 类

package com.sk.idempotenttest.exception;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.http.HttpStatus;
import org.springframework.web.bind.annotation.ControllerAdvice;
import org.springframework.web.bind.annotation.ExceptionHandler;
import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseStatus;

@Slf4j
@ControllerAdvice
@ResponseBody
public class GlobalExceptionHandler {
    
    

    @ExceptionHandler(IdempotentException.class)
    @ResponseStatus(value= HttpStatus.BAD_REQUEST)
    public JsonResult handleHttpMessageNotReadableException(IdempotentException ex){
    
    
        log.error("请求异常,{}",ex.getMessage());
        return new JsonResult("400",ex.getMessage());
    }

}

返回值JsonResult 类

package com.sk.idempotenttest.exception;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class JsonResult {
    
    

    private String code;//状态码
    private String msg;//请求信息

}

4、redis存储请求信息

RedissonConfig类

package com.sk.idempotenttest.config;

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.config.Config;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

/**
 * @description: Redisson配置类
 *
 * @author ITyunqing
 * @since 1.0.0
 */
@Configuration
public class RedissonConfig {
    
    

    @Value("${singleServerConfig.address}")
    private String address;

    @Value("${singleServerConfig.password}")
    private String password;

    @Value("${singleServerConfig.pingTimeout}")
    private int pingTimeout;

    @Value("${singleServerConfig.connectTimeout}")
    private int connectTimeout;

    @Value("${singleServerConfig.timeout}")
    private int timeout;

    @Value("${singleServerConfig.idleConnectionTimeout}")
    private int idleConnectionTimeout;

    @Value("${singleServerConfig.retryAttempts}")
    private int retryAttempts;

    @Value("${singleServerConfig.retryInterval}")
    private int retryInterval;

    @Value("${singleServerConfig.reconnectionTimeout}")
    private int reconnectionTimeout;

    @Value("${singleServerConfig.failedAttempts}")
    private int failedAttempts;

    @Value("${singleServerConfig.subscriptionsPerConnection}")
    private int subscriptionsPerConnection;

    @Value("${singleServerConfig.subscriptionConnectionMinimumIdleSize}")
    private int subscriptionConnectionMinimumIdleSize;

    @Value("${singleServerConfig.subscriptionConnectionPoolSize}")
    private int subscriptionConnectionPoolSize;

    @Value("${singleServerConfig.connectionMinimumIdleSize}")
    private int connectionMinimumIdleSize;

    @Value("${singleServerConfig.connectionPoolSize}")
    private int connectionPoolSize;


    @Bean(destroyMethod = "shutdown")
    public Redisson redisson() {
    
    
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer().setAddress(address)
                .setPassword(password)
                .setIdleConnectionTimeout(idleConnectionTimeout)
                .setConnectTimeout(connectTimeout)
                .setTimeout(timeout)
                .setRetryAttempts(retryAttempts)
                .setRetryInterval(retryInterval)
                .setReconnectionTimeout(reconnectionTimeout)
                .setPingTimeout(pingTimeout)
                .setFailedAttempts(failedAttempts)
                .setSubscriptionsPerConnection(subscriptionsPerConnection)
                .setSubscriptionConnectionMinimumIdleSize(subscriptionConnectionMinimumIdleSize)
                .setSubscriptionConnectionPoolSize(subscriptionConnectionPoolSize)
                .setConnectionMinimumIdleSize(connectionMinimumIdleSize)
                .setConnectionPoolSize(connectionPoolSize);
        return (Redisson) Redisson.create(config);
    }

}

5、pom.xml

<!--aop-->
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-aop</artifactId>
        </dependency>
        <!--redisson-->
        <dependency>
            <groupId>org.redisson</groupId>
            <artifactId>redisson</artifactId>
            <version>3.5.4</version>
        </dependency>

五、总结

幂等性不但可以保证程序正常执行，还可以杜绝一些垃圾数据以及无效请求对系统资源的消耗。推荐使用分布式锁来实现，这样的解决方案更加通用。关于分布式锁的总结，后续再做介绍。

建议：

• 对 redis 中是否存在 token 以及删除的代码逻辑建议用 Lua 脚本实现，保证原子性
• 全局唯一 ID 可以用百度的 uid-generator、美团的 Leaf 去生成

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