一文带你剖析Redisson分布式锁的原理

Java
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2023-06-22
Spring Boot中@Import三种使用方式实例详解
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标签   Redis
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  • 加锁
  • 锁续命（自旋）
  • 锁订阅及锁等待
  • 解锁
  • 总结

相信使用过redis的，或者正在做分布式开发的童鞋都知道redisson组件，它的功能很多，但我们使用最频繁的应该还是它的分布式锁功能，少量的代码，却实现了加锁、锁续命(看门狗)、锁订阅、解锁、锁等待（自旋）等功能，我们来看看都是如何实现的。

加锁

//获取锁对象
RLock redissonLock = redisson.getLock(lockKey);
//加分布式锁
redissonLock.lock();

根据redissonLock.lock()方法跟踪到具体的private <T> RFuture<Long> tryAcquireAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, final long threadId)方法，真正获取加锁的逻辑是在tryAcquireAsync该方法中调用的tryLockInnerAsync()方法，看看这个方法是怎么实现的？

<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
    internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);

    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
               // 判断是否存在分布式锁，getName()也就是KEYS[]，也就是锁key名                     
              "if (redis.call('exists', KEYS[]) == 0) then " +
               // 加锁，执行hset 锁key名                           
                  "redis.call('hset', KEYS[], ARGV[2], 1); " +
               // 设置过期时间                           
                  "redis.call('pexpire', KEYS[], ARGV[1]); " +
                  "return nil; " +
              "end; " +
               // 这个分支是redisson的重入锁逻辑，锁还在，锁计数+，重新设置过期时长                 
              "if (redis.call('hexists', KEYS[], ARGV[2]) == 1) then " +
                  "redis.call('hincrby', KEYS[], ARGV[2], 1); " +
                  "redis.call('pexpire', KEYS[], ARGV[1]); " +
                  "return nil; " +
              "end; " +
              // 返回锁的剩余过期时长                            
              "return redis.call('pttl', KEYS[]);",
                Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

发现底层是结合lua脚本实现了加锁逻辑。

为什么底层结合了Lua脚本？Redis是在2.6推出了脚本功能，允许开发者使用Lua语言编写脚本传到redis执行。使用脚本的好处如下：

1、减少网络开销：本来5次网络请求的操作，可以用一个请求完成，原先5次请求的逻辑，可以一次性放到redis中执行，较少了网络往返时延。这点跟管道有点类似。

2、原子操作：Redis会将整个脚本作为一个整体执行，中间不会被其他命令插入。管道不是原子的，不过

redis的批量操作命令(类似mset)是原子的。

也就意味着虽然脚本中有多条redis指令，那即使有多条线程并发执行，在同一时刻也只有一个线程能够执行这段逻辑，等这段逻辑执行完，分布式锁也就获取到了，其它线程再进来就获取不到分布式锁了。

锁续命（自旋）

大家都听过锁续命，肯定也知道这里涉及到看门狗的概念。在调用tryLockInnerAsync()方法时，第一个参数是commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout()也就是默认的看门狗过期时间是private long lockWatchdogTimeout = 30 * 1000毫秒。

private <T> RFuture<Long> tryAcquireAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, final long threadId) {
    if (leaseTime != -) {
        return tryLockInnerAsync(leaseTime, unit, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    }
    RFuture<Long> ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout(), TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    // 添加监听器，判断获取锁是否成功，成功的话，添加定时任务：定期更新锁过期时间
    ttlRemainingFuture.addListener(new FutureListener<Long>() {
        @Override
        public void operationComplete(Future<Long> future) throws Exception {
            if (!future.isSuccess()) {
                return;
            }
            // 根据tryLockInnerAsync方法，加锁成功，return nil 也就是null
            Long ttlRemaining = future.getNow();
            // lock acquired
            if (ttlRemaining == null) {
                // 添加定时任务：定期更新锁过期时间
                scheduleExpirationRenewal(threadId);
            }
        }
    });
    return ttlRemainingFuture;
}

当线程获取到锁后，会进入if (ttlRemaining == null)分支，调用定期更新锁过期时间scheduleExpirationRenewal方法，我们看看该方法实现：

private void scheduleExpirationRenewal(final long threadId) {
    if (expirationRenewalMap.containsKey(getEntryName())) {
        return;
    }

    Timeout task = commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(new TimerTask() {
        @Override
        public void run(Timeout timeout) throws Exception {
            
            RFuture<Boolean> future = commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
                    // 检测KEYS[]锁是否还在，在的话再次设置过期时间                               
                    "if (redis.call('hexists', KEYS[], ARGV[2]) == 1) then " +
                        "redis.call('pexpire', KEYS[], ARGV[1]); " +
                        "return; " +
                    "end; " +
                    "return;",
                      Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
            
            future.addListener(new FutureListener<Boolean>() {
                @Override
                public void operationComplete(Future<Boolean> future) throws Exception {
                    expirationRenewalMap.remove(getEntryName());
                    if (!future.isSuccess()) {
                        log.error("Can't update lock " + getName() + " expiration", future.cause());
                        return;
                    }
                    // 通过上面lua脚本执行后会返回，也就true，再次调用更新过期时间进行续期
                    if (future.getNow()) {
                        // reschedule itself
                        scheduleExpirationRenewal(threadId);
                    }
                }
            });
        }
        // 延迟 internalLockLeaseTime /再执行续命
    }, internalLockLeaseTime /, TimeUnit.MILLISECONDS);

    if (expirationRenewalMap.putIfAbsent(getEntryName(), task) != null) {
        task.cancel();
    }
}

发现scheduleExpirationRenewal方法只是用了Timeout作为任务，并没有使用java的Timer()之类的定时器，而是在Timeout任务run()方法中定义了RFuture对象，通过给RFuture对象设置listener，在listener中通过Lua脚本执行结果进行判断是否还需要进行续期。通过这样的方式来给分布式锁进行续期。

这种方式实现定时更新确实很巧妙，定期时间很灵活。

锁订阅及锁等待

锁订阅是针对那些没有获取到分布式锁的线程而言的。来看看整个获取锁的方法：

public void lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        Long ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
        // lock acquired,获取到锁，直接退出
        if (ttl == null) {
            return;
        }
		// 没有获取到锁，进行订阅
        RFuture<RedissonLockEntry> future = subscribe(threadId);
        commandExecutor.syncSubscription(future);

        try {
            while (true) {
                ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
                // lock acquired
                if (ttl == null) {
                    break;
                }

                // waiting for message
                if (ttl >=) {
                    getEntry(threadId).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                } else {
                    getEntry(threadId).getLatch().acquire();
                }
            }
        } finally {
            unsubscribe(future, threadId);
        }
//        get(lockAsync(leaseTime, unit));
    }

当第一个线程获取到锁后，会在if (ttl == null)分支进行返回，第二个及以后的线程进来在没获取到锁时，只能接着走下面的逻辑，进行锁的订阅。

接着进入到一个while循环，首先还是会进行一次尝试获取锁（万一此时第一个线程已经释放锁了呢），通过tryAcquire(leaseTime, unit, threadId)方法，如果没有获取到锁的话，会返回锁的剩余过期时间，如果剩余过期时间大于0，则当前线程通过Semaphore信号号，将当前线程阻塞，底层执行LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout)线程挂起剩余过期时间后，会自动进行唤醒，再次执行tryAcquire尝试获取锁。所有没有获取到锁的线程都会执行这个流程。

一定要等待剩余过期时间后才唤醒吗？

假设线程一获取到锁，过期时间默认为30s,当前执行业务逻辑已经过了5s,那其他线程走到这里，则需要等待25s后才行进行唤醒，那万一线程一执行业务逻辑只要10s，那其他线程还需要等待20s吗？这样岂不是导致效率很低？

答案是否定的，详细看解锁逻辑。

解锁

解锁：redissonLock.unlock();

我们来看看具体的解锁逻辑:

protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {
    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
            // 锁不存在，发布unlockMessage解锁消息，通知其他等待线程                              
            "if (redis.call('exists', KEYS[]) == 0) then " +
                "redis.call('publish', KEYS[], ARGV[1]); " +
                "return; " +
            "end;" +
            // 不存在该锁，异常捕捉                              
            "if (redis.call('hexists', KEYS[], ARGV[3]) == 0) then " +
                "return nil;" +
            "end; " +
            // redisson可重入锁计数-，依旧>0，则重新设置过期时间                              
            "local counter = redis.call('hincrby', KEYS[], ARGV[3], -1); " +
            "if (counter >) then " +
                "redis.call('pexpire', KEYS[], ARGV[2]); " +
                "return; " +
            // redis删除锁，发布unlockMessage解锁消息，通知其他等待线程                         
            "else " +
                "redis.call('del', KEYS[]); " +
                "redis.call('publish', KEYS[], ARGV[1]); " +
                "return; "+
            "end; " +
            "return nil;",
            Arrays.<Object>asList(getName(), getChannelName()), LockPubSub.unlockMessage, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));

}

发现解锁逻辑底层也是用了一个lua脚本实现。具体的说明可以看代码注释，删除锁后，并发布解锁消息，通知到其它线程，也就意味着不会其它等待的线程一直等待。

Semophore信号量的订阅中有个onMessage方法，

protected void onMessage(RedissonLockEntry value, Long message) {
    // 唤醒线程
    value.getLatch().release(message.intValue());
    
    while (true) {
        Runnable runnableToExecute = null;
        synchronized (value) {
            Runnable runnable = value.getListeners().poll();
            if (runnable != null) {
                if (value.getLatch().tryAcquire()) {
                    runnableToExecute = runnable;
                } else {
                    value.addListener(runnable);
                }
            }
        }
        
        if (runnableToExecute != null) {
            runnableToExecute.run();
        } else {
            return;
        }
    }
}

解锁后通过if (opStatus)分支取消锁续期逻辑。

总结

总的来说，可以借助一张图加深理解：

分布式锁的整体实现很巧妙，借助lua脚本的原子性，实现了很多功能，当然redisson还有其它很多功能，比如为了解决主从集群中的异步复制会导致锁丢失问题，引入了redlock机制，还有分布式下的可重入锁等。

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