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系统设计中的幂等性

news 2025/8/27 9:08:05

1. 基本概念

幂等性（Idempotence）是系统设计中经常提到的概念。

如果某个操作执行一次或多次都能产生相同的结果，那么它就是幂等的。

2. 代码示例

下面这段代码是幂等的。无论你调用多少次，show_my_button 的最终状态都是False。

def hide_my_button(self):self.show_my_button = False

再看一个例子：

def toggle_my_button_visibility(self):self.show_my_button = not self.show_my_button

这个方法不是幂等的，因为每次调用都会翻转状态：第一次隐藏，第二次又显示。

3. 常见误区

3.1 幂等性与返回值无关

很多初学者会误解幂等性，认为“多次调用返回值相同”才叫幂等。这是错误的，来看一个例子：

def hide_my_button(self):has_something_changed = self.show_my_buttonself.show_my_button = Falsereturn has_something_changed

如果第一次调用时 show_my_button 是 True，返回值是 True；再次调用时返回值变成了 False。但这个方法依然是幂等的，因为无论调用多少次，show_my_button 的最终状态总是 False。幂等性关注的是操作的副作用或系统状态的最终结果，而不是方法的返回值。

3.2 幂等与纯函数

这两个概念也容易混淆，所以简单解释一下。
纯函数：给定相同的输入，总是返回相同的输出，且没有任何副作用。

# 这是一个纯函数。square(3) 将始终是相同的数字。
def square(my_number):return my_number ** 2# 这不是纯函数。square(3) 几乎不会产生相同的结果
def square_with_randomness(my_number):return (my_number ** 2) * random.uniform(0, 1)

幂等函数不一定是纯函数。幂等函数可以有副作用:

# 如果每次保存相同的 name，最终数据库的状态保持一致 → 幂等
def save_name(name):my_database.save(name) # 写入数据库, 有副作用return name

4. 幂等性的问题

幂等设计也可能引入问题：如果某条“毒消息”导致消费者每次崩溃，那么该消息永远留在队列中。于是服务不断重启、崩溃、重试，形成死循环。
解决办法：引入死信队列（DLQ），将处理失败多次的消息转移到 DLQ，以便后续人工排查。

5. 系统设计中的幂等性

在分布式系统中，网络是不可靠的，服务会失败，消息可能重复投递，所以幂等性是保证数据一致性和系统健壮性的关键。以下场景都依赖幂等性：

消息队列的重复消费
RESTful API 请求重试
数据库写入与 UPSERT
分布式系统故障恢复

5.1 消息处理

假设我们有一个事件驱动系统：

Service A 往消息队列里推送事件
Service B 消费这些事件（假设会执行一些计算操作）并写入数据库

如果Service B在计算过程中崩溃，或者Service B与数据库之间存在网络分区，或其他情况发生，那消息和事件将永远丢失。

解决方案：不立即从队列中删除消息，而是等待Service B完成（包括写入数据库），然后再删除消息。

但这带来了一个新问题：同一条消息可能被读取两次。Service B执行计算并写入数据库，但随后发生了一些情况（比如崩溃）。在消息从队列中删除之前，服务已经崩溃。会发生什么？当 Service B 重启后，将继续从最后那条消息开始消费，因此该消息被消费了两次！但这并不成问题，如果 Service B 的处理逻辑是幂等的，那么即使消息被重复消费，最终结果也是一致的。

缺点是需要一些额外的复杂性（需要保证操作幂等）和一些计算资源（可能不必要地多次执行相同操作）。但这些缺点和丢失消息比起来不值一提。

5.2 API

如果你正在构建REST API，其实已经在处理幂等性了。HTTP协议实际上定义了哪些方法应该是幂等的：

HTTP 方法	幂等性	说明
GET	是	查询资源，多次调用结果相同
PUT	是	完全替换资源，重复 PUT 没有副作用
DELETE	是	删除资源，删除已不存在的资源结果也相同
POST	否	通常用于创建资源，天然非幂等

POST请求：通常在设计上不是幂等的。每个POST通常创建某些内容。但你可以使用幂等键使它们幂等。其工作原理如下：随请求发送一个唯一ID（通常在头中），服务器记住"已经处理过这个ID，因此将返回相同的结果，而不是再次执行工作"。

def create_user(request):idempotency_key = request.headers.get('Idempotency-Key')# 是否已经处理过这个确切的请求？if idempotency_key and already_processed(idempotency_key):return get_cached_response(idempotency_key)# 没有，创建用户user = User.create(request.data)# 缓存响应以备下次使用if idempotency_key:cache_response(idempotency_key, user)return user