面试题目:一个抽奖池设计(含代码)

题目

如何设计一个抽奖池，总抽奖金额5w元，里面有1元的，2元的，5元的面额等等。每个面额的有指定的次数限制，比如1元的10000次，2元的20000次，5元的2000次。
要求：

每个面额的次数不能超
总抽奖金额不能超
性能不能太差，比如不能设置一个全局锁，至少是用户级别的锁

设计思想

该场景主要需要解决高并发问题,
1元, 2元, 3元奖券, 以及金额池采用抽奖之前先冻结必要的奖券数和金额的方式, 之后抽奖后用不到的奖券和金额再释放掉.
最初考虑bitmap来着, 但是bitmap的占用和释放以及遍历每每都是麻烦, 最后采用AtomicInteger的CAS的方式解决并发量和多线程问题.

代码

先编写抽奖相关的函数, 至于抽奖池以及奖券的占用和释放先写为抽象函数, 之后慢慢实现

package cn.cpf.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.Random;/*** <b>Description : </b>** @author CPF* @date 2020/12/19 20:27**/
@Slf4j
public abstract class AbstractLotteryMachine {private final Random random = new Random();// 抽奖概率, 1元, 2元, 5元的概率比重为 22:44:4private final int[] probability = new int[]{22, 44, 4};/*** 抽奖方法** @return 抽奖金额(1: 1元, 2: 2元, 5: 5元, 0: 没奖了)*/public int lottery() {boolean et1 = false;boolean et2 = false;boolean et5 = false;int occupyMoney = 0;int money = 0;try {occupyMoney = occupyMoneyTotal();if (occupyMoney == 0) {return money;}assert occupyMoney > 0;et1 = occupyMoney1();et2 = occupyMoney2();et5 = occupyMoney5();money = randomMoney(et1, et2, et5, occupyMoney);assert money <= occupyMoney;return money;} catch (RuntimeException e){log.error("et1: {}, et2: {}, et3:{}, occ:{}, money: {}", et1, et2, et5, occupyMoney, money);throw e;} finally {if (et1 && money != 1) {releaseMoney1();}if (et2 && money != 2) {releaseMoney2();}if (et5 && money != 5) {releaseMoney5();}assert occupyMoney >= money;if (occupyMoney > 0) {final int releaseMoney = occupyMoney - money;releaseMoneyTotal(releaseMoney);}}}/*** 10000张1元 + 20000张2元 刚好等于 50000, 也就是说最优的情况是刚好抽奖抽了10000张1元 和 20000张2元,* 5元的奖券抽中的次数越少越节约成本, 1元, 2元的券之间概率调整没什么意义** @param et1         1元奖券是否存在* @param et2         2元奖券是否存在* @param et5         5元奖券是否存在* @param occupyMoney 占据金额* @return 抽取的奖券 0:没有合适的奖券了, 1: 1元, 2: 2元, 5: 5元*/protected int randomMoney(boolean et1, boolean et2, boolean et5, int occupyMoney) {int number = 0;if (et1 && occupyMoney >= 1) {number += probability[0];}if (et2 && occupyMoney >= 2) {number += probability[1];}if (et5 && occupyMoney >= 5) {number += probability[2];}if (number == 0) {return 0;}int rdm = random.nextInt(number);if (et1 && occupyMoney >= 1) {if (rdm < probability[0]) {return 1;}rdm -= probability[0];}if (et2 && occupyMoney >= 2) {if (rdm < probability[1]) {return 2;}rdm -= probability[1];}if (et5 && occupyMoney >= 5 && rdm < probability[2]) {return 5;}throw new RuntimeException("计算异常");}/*** 占据一张奖票(1元)** @return 是否占用成功*/protected abstract boolean occupyMoney1();/*** 占据一张奖票(2元)** @return 是否占用成功*/protected abstract boolean occupyMoney2();/*** 占据一张奖票(5元)** @return 是否占用成功*/protected abstract boolean occupyMoney5();/*** 占据金额(若余额高于5元, 优先则占据5元, 否则若高于2元, 优先占据2元, 否则若高于1元, 则占据1元, 否则不占据任何金额, 返回0)** @return 占据金额*/protected abstract int occupyMoneyTotal();/*** 释放一张奖票(1元)*/protected abstract void releaseMoney1();/*** 释放一张奖票(2元)*/protected abstract void releaseMoney2();/*** 释放一张奖票(5元)*/protected abstract void releaseMoney5();/*** 释放金额* @param money 释放金额*/protected abstract void releaseMoneyTotal(int money);}

奖券的占用和释放的实现类

package cn.cpf.test;import lombok.ToString;import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/*** <b>Description : </b>** @author CPF* @date 2020/12/19 21:07**/
@ToString
public class AtomicLotteryMachine extends AbstractLotteryMachine {/*** 1元奖票数量*/private final AtomicInteger ticketNumber1 = new AtomicInteger(10000);private final AtomicInteger ticketNumber2 = new AtomicInteger(20000);private final AtomicInteger ticketNumber5 = new AtomicInteger(2000);/*** 奖金池*/private final AtomicInteger ticketMoneyTotal = new AtomicInteger(50000);/*** 占据一张奖票(1元)** @return 是否占用成功*/@Overrideprotected boolean occupyMoney1() {final int andDecrement = ticketNumber1.getAndDecrement();if (andDecrement > 0) {return true;}releaseMoney1();return false;}/*** 占据一张奖票(2元)** @return 是否占用成功*/@Overrideprotected boolean occupyMoney2() {final int andDecrement = ticketNumber2.getAndDecrement();if (andDecrement > 0) {return true;}releaseMoney2();return false;}/*** 占据一张奖票(5元)** @return 是否占用成功*/@Overrideprotected boolean occupyMoney5() {final int andDecrement = ticketNumber5.getAndDecrement();if (andDecrement > 0) {return true;}releaseMoney5();return false;}/*** 占据金额(若余额高于5元, 优先则占据5元, 否则若高于2元, 优先占据2元, 否则若高于1元, 则占据1元, 否则不占据任何金额, 返回0)** @return 占据金额*/@Overrideprotected int occupyMoneyTotal() {final int i = ticketMoneyTotal.get();if (i <= 0) {return 0;}final int andAdd = ticketMoneyTotal.addAndGet(-5);if (andAdd >= 0) {return 5;}if (andAdd >= -3) {releaseMoneyTotal(3);return 2;}if (andAdd >= -4) {releaseMoneyTotal(4);return 1;}releaseMoneyTotal(5);return 0;}/*** 释放一张奖票(1元)*/@Overrideprotected void releaseMoney1() {ticketNumber1.getAndIncrement();}/*** 释放一张奖票(2元)*/@Overrideprotected void releaseMoney2() {ticketNumber2.getAndIncrement();}/*** 释放一张奖票(5元)*/@Overrideprotected void releaseMoney5() {ticketNumber5.getAndIncrement();}/*** 释放金额** @param money 释放金额*/@Overrideprotected void releaseMoneyTotal(int money) {ticketMoneyTotal.getAndAdd(money);}}

测试类

package cn.cpf.test.d;import cn.cpf.test.AbstractLotteryMachine;
import cn.cpf.test.AtomicLotteryMachine;
import com.github.cosycode.common.util.otr.TestUtils;import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.stream.IntStream;/*** <b>Description : </b>** @author CPF* @date 2020/12/19 22:39**/
public class Test {public static void main(String[] args) {System.out.println(Charset.defaultCharset().name());AbstractLotteryMachine lotteryMachine = new AtomicLotteryMachine();System.out.println("未抽奖之前奖池情况" + lotteryMachine.toString());AtomicInteger t1 = new AtomicInteger();AtomicInteger t2 = new AtomicInteger();AtomicInteger t5 = new AtomicInteger();AtomicInteger tM = new AtomicInteger();TestUtils.callTime("抽奖测试", () -> {// 30000 次并发可以抽空奖池IntStream.range(1, 30000).parallel().forEach(it -> {final int lottery = lotteryMachine.lottery();switch (lottery) {case 1:t1.addAndGet(1);tM.addAndGet(1);break;case 2:t2.addAndGet(1);tM.addAndGet(2);break;case 5:t5.addAndGet(1);tM.addAndGet(5);break;case 0:break;default:throw new RuntimeException("default");}});});System.out.println("抽奖之后奖池情况" + lotteryMachine.toString());System.out.println("1元奖券出现次数 " + t1);System.out.println("2元奖券出现次数 " + t2);System.out.println("5元奖券出现次数 " + t5);System.out.println("抽奖金额 " + tM);}}

输出

使用并行流30000次单机模拟抽奖测试 27毫秒, 数据正常.

未抽奖之前奖池情况AtomicLotteryMachine(ticketNumber1=10000, ticketNumber2=20000, ticketNumber5=2000, ticketMoneyTotal=50000)
[INFO] 02:44:40 (TestUtils.java:42)=> [624315079342100 : 抽奖测试] ==> start
[INFO] 02:44:40 (TestUtils.java:45)=> [624315079342100 : 抽奖测试] ==> end, consume time: 27538200
抽奖之后奖池情况AtomicLotteryMachine(ticketNumber1=1549, ticketNumber2=2983, ticketNumber5=497, ticketMoneyTotal=0)
1元奖券出现次数 8451
2元奖券出现次数 17017
5元奖券出现次数 1503
抽奖金额 50000

附

TestUtils.java

package com.github.cosycode.common.util.otr;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.function.Supplier;/*** <b>Description : </b>** @author CPF* @since 1.0* @date 2020/11/26 17:41**/
@Slf4j
public class TestUtils {private TestUtils(){}/*** 正常执行 Runnable 函数, 打印 执行 Runnable 函数的执行时长信息** @param tag 标记* @param runnable 执行函数*/public static void callTime(String tag, Runnable runnable) {callTime(tag, () -> {runnable.run();return true;});}/*** 正常执行 supplier 函数, 打印 执行 supplier 函数的执行时长信息** @param tag 标记* @param supplier 执行函数* @param <R> 执行函数返回值类型* @return 执行函数的返回值*/public static <R> R callTime(String tag, Supplier<R> supplier) {long start = System.nanoTime();log.info("[{} : {}] ==> start", start, tag);R r = supplier.get();long inVal = System.nanoTime() - start;log.info("[{} : {}] ==> end, consume time: {} ", start, tag, inVal);return r;}}

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