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在交易系统中,用户资产是指用户以各种方式将 USD、BTC 充入交易所后的余额。本节我们来实现一个用户资产系统。
用户在买入 BTC 时,需要花费 USD,而卖出 BTC 后,获得 USD。当用户下单买入时,系统会先冻结对应的 USD 金额;当用户下单卖出时,系统会先冻结对应的 BTC。之所以需要有冻结这一操作,是因为判断能否下单成功,是根据用户的可用资产判断。每下一个新的订单,就会有一部分可用资产被冻结,因此,用户资产本质上是一个由用户 ID 和资产 ID 标识的二维表:
用户 ID | 资产 ID | 可用 | 冻结 |
---|---|---|---|
101 | USD | 8900.3 | 1200 |
101 | BTC | 500 | 0 |
102 | USD | 12800 | 0 |
103 | BTC | 0 | 50 |
上述二维表有一个缺陷,就是对账很困难,因为缺少了一个关键的负债账户。对任何一个资产管理系统来说,要时刻保证整个系统的资产负债表为零。
对交易所来说,用户拥有的 USD 和 BTC 就是交易所的系统负债,只需引入一个负债账户,记录所有用户权益,就可以保证整个系统的资产负债表为零。假设负债账户以 ID 为 1 的系统用户表示,则用户资产表如下:
用户 ID | 资产 ID | 可用 | 冻结 |
---|---|---|---|
1 | USD | -22900.3 | 0 |
1 | BTC | -550 | 0 |
101 | USD | 8900.3 | 1200 |
101 | BTC | 500 | 0 |
102 | USD | 12800 | 0 |
103 | BTC | 0 | 50 |
引入了负债账户后,我们就可以定义资产的数据结构了。
在数据库中,上述表结构就是资产表的结构,将用户 ID 和资产 ID 标记为联合主键即可。
但是在内存中,我们怎么定义资产结构呢?
可以使用一个两层的 ConcurrentMap
定义如下:
// 用户 ID -> (资产 ID -> Asset)
ConcurrentMap<Long, ConcurrentMap<AssetEnum, Asset>> userAssets = new ConcurrentHashMap<>();
第一层 Map
的 Key 是用户 ID,第二层 Map
的 Key 是资产 ID,这样就可以用 Asset
结构表示资产:
public class Asset {// 可用余额:
BigDecimal available;
// 冻结余额:
BigDecimal frozen;
public Assets() {this(BigDecimal.ZERO, BigDecimal.ZERO);
}
public Assets(BigDecimal available, BigDecimal frozen) {this.available = available;
this.frozen = frozen;
}
}
下一步,我们在 AssetService
上定义对用户资产的操作。实际上,所有资产操作只有一种操作,即转账。转账类型可用 Transfer
定义为枚举类:
public enum Transfer {// 可用转可用:
AVAILABLE_TO_AVAILABLE,
// 可用转冻结:
AVAILABLE_TO_FROZEN,
// 冻结转可用:
FROZEN_TO_AVAILABLE;
}
转账操作只需要一个 tryTransfer()
方法,实现如下:
public boolean tryTransfer(Transfer type, Long fromUser, Long toUser, AssetEnum assetId, BigDecimal amount, boolean checkBalance) {// 转账金额不能为负:
if (amount.signum() < 0) {throw new IllegalArgumentException("Negative amount");
}
// 获取源用户资产:
Asset fromAsset = getAsset(fromUser, assetId);
if (fromAsset == null) {// 资产不存在时初始化用户资产:
fromAsset = initAssets(fromUser, assetId);
}
// 获取目标用户资产:
Asset toAsset = getAsset(toUser, assetId);
if (toAsset == null) {// 资产不存在时初始化用户资产:
toAsset = initAssets(toUser, assetId);
}
return switch (type) {case AVAILABLE_TO_AVAILABLE -> {// 需要检查余额且余额不足:
if (checkBalance && fromAsset.available.compareTo(amount) < 0) {// 转账失败:
yield false;
}
// 源用户的可用资产减少:
fromAsset.available = fromAsset.available.subtract(amount);
// 目标用户的可用资产增加:
toAsset.available = toAsset.available.add(amount);
// 返回成功:
yield true;
}
// 从可用转至冻结:
case AVAILABLE_TO_FROZEN -> {if (checkBalance && fromAsset.available.compareTo(amount) < 0) {yield false;
}
fromAsset.available = fromAsset.available.subtract(amount);
toAsset.frozen = toAsset.frozen.add(amount);
yield true;
}
// 从冻结转至可用:
case FROZEN_TO_AVAILABLE -> {if (checkBalance && fromAsset.frozen.compareTo(amount) < 0) {yield false;
}
fromAsset.frozen = fromAsset.frozen.subtract(amount);
toAsset.available = toAsset.available.add(amount);
yield true;
}
default -> {throw new IllegalArgumentException("invalid type:" + type);
}
};
}
除了用户存入资产时,需要调用 tryTransfer()
并且不检查余额,因为此操作是从系统负债账户向用户转账,其他常规转账操作均需要检查余额:
public void transfer(Transfer type, Long fromUser, Long toUser, AssetEnum assetId, BigDecimal amount) {if (!tryTransfer(type, fromUser, toUser, assetId, amount, true)) {throw new RuntimeException("Transfer failed");
}
}
冻结操作可在 tryTransfer()
基础上封装一个方法:
public boolean tryFreeze(Long userId, AssetEnum assetId, BigDecimal amount) {return tryTransfer(Transfer.AVAILABLE_TO_FROZEN, userId, userId, assetId, amount, true);
}
解冻操作实际上也是在 tryTransfer()
基础上封装:
public void unfreeze(Long userId, AssetEnum assetId, BigDecimal amount) {if (!tryTransfer(Transfer.FROZEN_TO_AVAILABLE, userId, userId, assetId, amount, true)) {throw new RuntimeException("Unfreeze failed");
}
}
可以编写一个AssetServiceTest
,测试各种转账操作:
public class AssetServiceTest {@Test
void tryTransfer() {// TODO...
}
}
并验证在任意操作后,所有用户资产的各余额总和为0
。
最后是问题解答:
为什么不使用数据库?
因为我们要实现的交易引擎是 100% 全内存交易引擎,因此所有用户资产均存放在内存中,无需访问数据库。
为什么要使用 ConcurrentMap?
使用 ConcurrentMap
并不是为了让多线程并发写入,因为 AssetService
中并没有任何同步锁。对 AssetService
进行写操作必须是单线程,不支持多线程调用tryTransfer()
。
但是读取 Asset 支持多线程并发读取,这也是使用 ConcurrentMap
的原因。如果改成 HashMap
,根据不同 JDK 版本的实现不同,多线程读取HashMap
可能造成死循环(注意这不是 HashMap
的 bug),必须引入同步机制。
如何扩展以支持更多的资产类型?
我们在 AssetEnum
中以枚举方式定义了 USD 和 BTC 两种资产,如果要扩展到更多资产类型,可以以整型 ID 作为资产 ID,同时需要管理一个资产 ID 到资产名称的映射,这样可以在业务需要的时候更改资产名称。
参考源码
可以从 GitHub 或 Gitee 下载源码。
GitHub
小结
本节我们讨论并实现了一个基于内存的高性能的用户资产系统,其核心只有一个 tryTransfer()
转账方法,业务逻辑非常简单。