Redis分布式锁的实现方式

Java
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2023-04-27
SpringBoot之那些注入不了的Spring占位符(${}表达式)问题
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标签   Redis
目录
  • 一、分布式锁是什么
  • 1、获取锁
  • 2、释放锁
  • 二、代码实例
  • 上面代码存在锁误删问题：
  • 三、基于SETNX实现的分布式锁存在下面几个问题
  • 1、不可重入
  • 2、不可重试
  • 3、超时释放
  • 4、主从一致性
  • 四、Redisson实现分布式锁
  • 1、pom
  • 2、配置类
  • 3、测试类
  • 五、探索tryLock源码
  • 1、tryLock源码
  • 尝试获取锁
  • 2、重置锁的有效期
  • 更新有效期
  • 3、调用lua脚本
  • 六、释放锁unlock源码
  • 1、取消更新任务
  • 2、删除定时任务

一、分布式锁是什么

分布式锁是 满足分布式系统或集群模式下多进程可见并且互斥的锁。

基于Redis实现分布式锁：

1、获取锁

  • 互斥：确保只能有一个线程获取锁;
  • 非阻塞：尝试获取锁，成功返回true，失败返回false；

添加锁过期时间，避免服务宕机引起死锁。

SET lock thread1 NX EX 10

2、释放锁

  • 手动释放；DEL key1
  • 超时释放，获取锁时添加一个超时锁；

二、代码实例

package com.guor.utils;

import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class RedisLock implements ILock{

    private String name;
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    public RedisLock(String name, StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
        this.name = name;
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
    }

    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";

    @Override
    public boolean tryLock(long timeout) {
        // 获取线程唯一标识
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId+"", timeout, TimeUnit.SECONDS);
        // 防止拆箱的空指针异常
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

    @Override
    public void unlock() {
        stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
    }
}

上面代码存在锁误删问题：

  1. 如果线程1获取锁，但线程1发生了阻塞，导致Redis超时释放锁；
  2. 此时，线程2尝试获取锁，成功，并执行业务；
  3. 此时，线程1重新开始执行任务，并执行完毕，执行释放锁（即删除锁）；
  4. 但是，线程1删除的锁，和线程2的锁是同一把锁，这就是分布式锁误删问题；

在释放锁时，释放线程自己的分布式锁，就可以解决这个问题。

package com.guor.utils;

import cn.hutool.core.lang.UUID;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class RedisLock implements ILock{

    private String name;
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    public RedisLock(String name, StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
        this.name = name;
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
    }

    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    private static final String UUID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";

    @Override
    public boolean tryLock(long timeout) {
        // 获取线程唯一标识
        String threadId = UUID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeout, TimeUnit.SECONDS);
        // 防止拆箱的空指针异常
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

    @Override
    public void unlock() {
        // 获取线程唯一标识
        String threadId = UUID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁中的标识
        String id = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);
        // 判断标示是否一致
        if(threadId.equals(id)) {
            // 释放锁
            stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
        }
    }
}

三、基于SETNX实现的分布式锁存在下面几个问题

1、不可重入

同一个线程无法多次获取同一把锁。

2、不可重试

获取锁只尝试一次就返回false，没有重试机制。

3、超时释放

锁的超时释放虽然可以避免死锁，但如果业务执行耗时较长，也会导致锁释放，存在安全隐患。

4、主从一致性

如果Redis是集群部署的，主从同步存在延迟，当主机宕机时，此时会选一个从作为主机，但是此时的从没有锁标识，此时，其它线程可能会获取到锁，导致安全问题。

四、Redisson实现分布式锁

Redisson是一个在Redis的基础上实现的Java驻内存数据网格。它不仅提供了一系列的分布式的Java常用对象，还提供了许多分布式服务，其中包含各种分布式锁的实现。

1、pom

<!--redisson-->
<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
    <version>3.13.6</version>
</dependency>

2、配置类

package com.guor.config;

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

@Configuration
public class RedissonConfig {

    @Bean
    public RedissonClient redissonClient(){
        // 配置
        Config config = new Config();

        /**
         * 单点地址useSingleServer，集群地址useClusterServers
         */
        config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379").setPassword("123456");
        // 创建RedissonClient对象
        return Redisson.create(config);
    }
}

3、测试类

package com.guor;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.BeforeEach;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;

import javax.annotation.Resource;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Slf4j
@SpringBootTest
class RedissonTest {

    @Resource
    private RedissonClient redissonClient;

    private RLock lock;

    @BeforeEach
    void setUp() {
    	// 获取指定名称的锁
        lock = redissonClient.getLock("nezha");
    }

    @Test
    void test() throws InterruptedException {
        // 尝试获取锁
        boolean isLock = lock.tryLock(1L, TimeUnit.SECONDS);
        if (!isLock) {
            log.error("获取锁失败");
            return;
        }
        try {
            log.info("哪吒最帅，哈哈哈");
        } finally {
            // 释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

五、探索tryLock源码

1、tryLock源码

尝试获取锁

public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
	// 最大等待时间
	long time = unit.toMillis(waitTime);
	long current = System.currentTimeMillis();
	long threadId = Thread.currentThread().getId();
	Long ttl = this.tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);
	if (ttl == null) {
		return true;
	} else {
		// 剩余等待时间 = 最大等待时间 - 获取锁失败消耗的时间
		time -= System.currentTimeMillis() - current;
		if (time <= 0L) {// 获取锁失败
			this.acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
			return false;
		} else {
			// 再次尝试获取锁
			current = System.currentTimeMillis();
			// subscribe订阅其它释放锁的信号
			RFuture<RedissonLockEntry> subscribeFuture = this.subscribe(threadId);
			// 当Future在等待指定时间time内完成时，返回true
			if (!subscribeFuture.await(time, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
				if (!subscribeFuture.cancel(false)) {
					subscribeFuture.onComplete((res, e) -> {
						if (e == null) {
							// 取消订阅
							this.unsubscribe(subscribeFuture, threadId);
						}

					});
				}

				this.acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
				return false;// 获取锁失败
			} else {
				try {
					// 剩余等待时间 = 剩余等待时间 - 获取锁失败消耗的时间
					time -= System.currentTimeMillis() - current;
					if (time <= 0L) {
						this.acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
						boolean var20 = false;
						return var20;
					} else {
						boolean var16;
						do {
							long currentTime = System.currentTimeMillis();
							// 重试获取锁
							ttl = this.tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);
							if (ttl == null) {
								var16 = true;
								return var16;
							}
							// 再次失败了，再看一下剩余时间
							time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
							if (time <= 0L) {
								this.acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
								var16 = false;
								return var16;
							}
							// 再重试获取锁
							currentTime = System.currentTimeMillis();
							if (ttl >= 0L && ttl < time) {
								// 通过信号量的方式尝试获取信号，如果等待时间内，依然没有结果，会返回false
								((RedissonLockEntry)subscribeFuture.getNow()).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
							} else {
								((RedissonLockEntry)subscribeFuture.getNow()).getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
							}
							time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
						} while(time > 0L);

						this.acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
						var16 = false;
						return var16;
					}
				} finally {
					this.unsubscribe(subscribeFuture, threadId);
				}
			}
		}
	}
}

2、重置锁的有效期

private void scheduleExpirationRenewal(long threadId) {
	RedissonLock.ExpirationEntry entry = new RedissonLock.ExpirationEntry();
	// this.getEntryName()：锁的名字，一个锁对应一个entry
	// putIfAbsent：如果不存在，将锁和entry放到map里
	RedissonLock.ExpirationEntry oldEntry = (RedissonLock.ExpirationEntry)EXPIRATION_RENEWAL_MAP.putIfAbsent(this.getEntryName(), entry);
	if (oldEntry != null) {
		// 同一个线程多次获取锁，相当于重入
		oldEntry.addThreadId(threadId);
	} else {
		// 如果是第一次
		entry.addThreadId(threadId);
		// 更新有效期
		this.renewExpiration();
	}
}

更新有效期，递归调用更新有效期，永不过期

private void renewExpiration() {
	// 从map中得到当前锁的entry
	RedissonLock.ExpirationEntry ee = (RedissonLock.ExpirationEntry)EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(this.getEntryName());
	if (ee != null) {
		// 开启延时任务
		Timeout task = this.commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(new TimerTask() {
			public void run(Timeout timeout) throws Exception {
				RedissonLock.ExpirationEntry ent = (RedissonLock.ExpirationEntry)RedissonLock.EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(RedissonLock.this.getEntryName());
				if (ent != null) {
					// 取出线程id
					Long threadId = ent.getFirstThreadId();
					if (threadId != null) {
						// 刷新有效期
						RFuture<Boolean> future = RedissonLock.this.renewExpirationAsync(threadId);
						future.onComplete((res, e) -> {
							if (e != null) {
								RedissonLock.log.error("Can't update lock " + RedissonLock.this.getName() + " expiration", e);
							} else {
								if (res) {
									// 递归调用更新有效期，永不过期
									RedissonLock.this.renewExpiration();
								}
							}
						});
					}
				}
			}
		}, this.internalLockLeaseTime / 3L, TimeUnit.MILLISECONDS);// 10S
		ee.setTimeout(task);
	}
}

更新有效期

protected RFuture<Boolean> renewExpirationAsync(long threadId) {
	return this.evalWriteAsync(this.getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN, 
	// 判断当前线程的锁是否是当前线程
	"if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then 
		// 更新有效期
		redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); 
		return 1; 
		end; 
		return 0;", 
		Collections.singletonList(this.getName()), this.internalLockLeaseTime, this.getLockName(threadId));
}

3、调用lua脚本

<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
	// 锁释放时间
	this.internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);
	return this.evalWriteAsync(this.getName(), LongCodec.INSTANCE, command, 
		// 判断锁成功
		"if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then
			redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); // 如果不存在，记录锁标识，次数+1
			redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); // 设置锁有效期
			return nil; // 相当于Java的null
		end; 
		if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then 
			redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); // 如果存在，判断锁标识是否是自己的，次数+1
			redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); // 设置锁有效期
			return nil; 
		end; 
		// 判断锁失败，pttl：指定锁剩余有效期，单位毫秒，KEYS[1]：锁的名称
		return redis.call('pttl', KEYS[1]);", 
			Collections.singletonList(this.getName()), this.internalLockLeaseTime, this.getLockName(threadId));
}

六、释放锁unlock源码

1、取消更新任务

public RFuture<Void> unlockAsync(long threadId) {
	RPromise<Void> result = new RedissonPromise();
	RFuture<Boolean> future = this.unlockInnerAsync(threadId);
	future.onComplete((opStatus, e) -> {
		// 取消更新任务
		this.cancelExpirationRenewal(threadId);
		if (e != null) {
			result.tryFailure(e);
		} else if (opStatus == null) {
			IllegalMonitorStateException cause = new IllegalMonitorStateException("attempt to unlock lock, not locked by current thread by node id: " + this.id + " thread-id: " + threadId);
			result.tryFailure(cause);
		} else {
			result.trySuccess((Object)null);
		}
	});
	return result;
}

2、删除定时任务

void cancelExpirationRenewal(Long threadId) {
	// 从map中取出当前锁的定时任务entry
	RedissonLock.ExpirationEntry task = (RedissonLock.ExpirationEntry)EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(this.getEntryName());
	if (task != null) {
		if (threadId != null) {
			task.removeThreadId(threadId);
		}
		// 删除定时任务
		if (threadId == null || task.hasNoThreads()) {
			Timeout timeout = task.getTimeout();
			if (timeout != null) {
				timeout.cancel();
			}

			EXPIRATION_RENEWAL_MAP.remove(this.getEntryName());
		}
	}
}
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