Redis分布式锁

一、分布式锁　　

　　锁在项目中的应用场景就无须多说，在单应用多线程场景中，可以直接使用synchronize或者ReentrantLock来加锁处理，但是在微服务体系中，为了保证项目的高可用，会部署多个相同的项目，因此单应用的加锁并不能保证只有一个请求能进入到处理流程，因此就需要借助项目外的第三方实现分布式锁，从而保证只有一个请求进入加锁的处理流程。

　　分布式锁的处理流程：获取锁，如果获取失败，则返回获取锁失败，如果获取成功，则执行加锁的业务逻辑，处理完毕后，解锁。这里需要强调一下，为了避免死锁，锁需要具备失效机制，在一段时间内，要释放锁。

　　目前常用的分布式锁的实现方式有以下几种：基于数据库实现的分布式锁、基于zookeeper节点的分布式锁、基于redis的分布式锁、基于Etcd（分布式键值数据库）的分布式锁

二、Redis实现分布式锁　

1、使用lua实现分布式锁

　　可以使用lua脚本或者自定义一个redis锁，总体逻辑就是使用setnx命令，设置一个key，值为每次请求的特定值，例如请求ID，如果设置失败（返回0），则加锁失败，如果设置成功（返回1），则返回成功，同时设置超期时间，以防产生死锁；在业务逻辑处理完成后，进行解锁操作，先判断该key中的值是否为本次操作的值，如果不是，说明非本次操作加的锁，不允许解锁，如果是，则删除该key。

　　那么，直接上代码，代码中使用lua脚本来做上述的加锁和解锁操作。

@Slf4j
@Service
public class RedisLock {

    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;

    //加锁lua脚本
    private static final String SCRIPT_TRY_LOCK = "if redis.call('setnx',KEYS[1],ARGV[1]) == 1 then redis.call('pexpire', KEYS[1],5000) return true else return false end";
    private static final String SCRIPT_UN_LOCK =  "if redis.call('get'  ,KEYS[1]) == ARGV[1] then redis.call('del',KEYS[1]) return true else return false end";

    public boolean tryLockLuaBefore(String lockKey, String requestId, int expire) {
        RedisCallback<Boolean> callback = (connection) -> {
            return connection.eval(SCRIPT_TRY_LOCK.getBytes(), ReturnType.BOOLEAN, 1,
                    lockKey.getBytes(Charset.forName("UTF-8")),
                    requestId.getBytes(Charset.forName("UTF-8")));
        };
        return (boolean) redisTemplate.execute(callback);
    }


    public boolean releaseLock(String lockKey, String requestId) {
        RedisCallback<Boolean> callback = (connection) -> {
            return connection.eval(SCRIPT_UN_LOCK.getBytes(), ReturnType.BOOLEAN, 1,
                    lockKey.getBytes(Charset.forName("UTF-8")),
                    requestId.getBytes(Charset.forName("UTF-8")));
        };
        return (Boolean) redisTemplate.execute(callback);
    }

}

　　然后就模拟一下多线程并发调用的情况

@Service
@Slf4j
public class RedisDistributedLock {

    @Autowired
    private RedisLock redisLock;

    public static ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor;

    static {
        final int corePoolSize = 10;
        final int maximumPoolSize = 10;
        final long keepAliveTime = 0L;
        final TimeUnit unit = TimeUnit.MILLISECONDS;
        final BlockingQueue<Runnable> workQueue = new LinkedBlockingQueue<>(100000);
        final ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("RedisDistributedLockTest").build();
        final RejectedExecutionHandler handler = new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy();

        threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize,
                keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, handler);
    }

    public void luaRedisLock(){
        String lockKey = "test";
        int num = 1;
        int whileWhere = 0;
        while (whileWhere++ < 10000){
            int localnum = num++;
            threadPoolExecutor.submit(()->{
                String requestId = UUID.randomUUID().toString();

                boolean flag = redisLock.tryLockLuaBefore(lockKey, requestId, 3 * 1000);
                if(flag){
                    log.info("第{}条放入线程池数据，requestId={}，第一条数据", localnum,requestId);
                    for (int i = 0; i < 10000; i++){ }
                    log.info("第{}条放入线程池数据，requestId={}，最后一条数据", localnum,requestId);
                    redisLock.releaseLock(lockKey,requestId);
                }
            });
        }
    }

}

　　最红调用luaRedisLock方法，发现输出都是成对出现，redis分布式锁处理成功。

  

2、纯JAVA实现分布式锁

　　跟上面一样，只需要在java代码中直接加锁或解锁，不借助lua脚本，逻辑跟上面一样。

@Slf4j
@Service
public class NoLuaRedisLock {

    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;

    public boolean tryLockLua(String lockKey, String requestId, int expire) {
        Boolean flag = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lockKey, requestId, expire, TimeUnit.MILLISECONDS);
        if(flag == null){
            return false;
        }
        return flag;
    }

    public boolean releaseLock(String lockKey, String requestId) {
        String value = (String) redisTemplate.opsForValue().get(lockKey);
        if(!requestId.equals(value)){
            return false;
        }
        Boolean flag = redisTemplate.delete(lockKey);
        if(flag == null){
            return false;
        }
        return flag;
    }

}

三、Redis分布式锁的优缺点

　　Redis分布式锁的优点在于Redis是基于内存的，并发性能好；缺点是需要考虑原子性、超时、误删等场景，并且如果要是获取锁失败时，客户端只能自旋等待，在高并发情况下，性能消耗较大。

　　在CAP（一致性（Consistency）、可用性（Availability）、分区容错性（Partition tolerance））模型中，如果是分布式环境，只能满足其中两个，但是在分布式环境下，分区容错性又不能不要（如果不要就是单机），所以只能选择AP或者CP。其中分布式锁是CP模型，但是Redis是AP模型，这样就决定了Redis分布式锁如果不要求强一致性的话，可以使用Redis分布式锁，例如社交场景等；但是如果要求强一致性的话，例如金融场景，就不能使用Redis分布式锁，而是要使用CP模型特点的分布式锁，例如Zookeeper、etcd等

四、Redisson分布式锁原理

　　目前落地生产的分布式锁，一般使用开源框架，例如Redisson。

　　

1、加锁机制

　　如果客户端面对的是一个Redis集群，它首先会根据hash节点选择一台服务器，然后发送lua脚本到redis服务器上，脚本如下：

if (redis.call('exists',KEYS[1])==0) then
    redis.call('hset',KEYS[1],ARGV[2],1) ;
    redis.call('pexpire',KEYS[1],ARGV[1]) ;
    return nil;
end ;
if (redis.call('hexists',KEYS[1],ARGV[2]) ==1 ) then
    redis.call('hincrby',KEYS[1],ARGV[2],1) ;
    redis.call('pexpire',KEYS[1],ARGV[1]) ;
    return nil;
end ;
return redis.call('pttl',KEYS[1]) ;

　　解释一下上述lua脚本，KEYS[1]表示锁的key，ARGV[1]表示锁的过期时间，ARGV[2]表示加锁的线程。

　　首先判断锁是否已存在（key是否存在），如果不存在，就加锁，同时设置超期时间；

　　然后判断对于本次加锁key中指定的field是否存在（线程id，使用机器号 + 线程ID来表示一个唯一的线程请求），如果存在，值加一，然后重置缓存失效时间

　　最终返回key剩余的失效时间。

　　使用lua脚本的目的：保证复杂的逻辑以原子性的方式执行

2、锁互斥机制

　　第1步的描述是加锁成功的机制，那么如果这时，有第二个线程进来：

　　首先判断锁是否已存在（key是否存在），此时已经存在，则不设置key的field；

　　然后判断key的field是否存在，由于field是使用的 机器码 + 线程ID 表示的，如果该请求的线程ID与已有的值一致，则表示有，那么会把值加一，同时重置key的过期时间；如果不一致，就说明锁不是该请求加的，直接就返回过期时间，由于加锁成功返回的都是nil，只有加锁失败返回的是一个整数的过期时间，那么此时线程2就需要进入一个while循环，不停的尝试加锁处理。

3、自动延时机制

　　只要线程1加锁成功，Redisson就会启动一个看门狗（watch dog），他是一个后台线程，会每十秒检查一次，如果线程1还持有该redis锁，那么就会不断的延长锁的过期时间。

4、可重入锁机制

　　可重入锁就是表示同一个线程可以再次进入锁，而不会被拦截，如果如果线程1此时又来加锁，那么第一个判断（判断该key是否存在），就会被跳过，直接判断第二个条件，如果key中的field已存在，就会将value加一，同时重置过期时间。

5、所释放机制

　　如果客户端面对的是一个Redis集群，它首先会根据hash节点选择一台服务器，然后发送lua脚本到redis服务器上，脚本如下：

--#如果key已经不存在，说明已经被解锁，直接发布（publish）redis消息
if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then
    redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]);
    return 1;
end;
--# key和field不匹配，说明当前客户端线程没有持有锁，不能主动解锁。
if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then
    return nil;
end;
--# 将value减1
local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1);
--# 如果counter>0说明锁在重入，不能删除key
if (counter > 0) then
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]);
    return 0;
    --# 删除key并且publish 解锁消息 "
else
    redis.call('del', KEYS[1]);
    redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]);
    return 1;
end;
return nil;

　　解释上述脚本：KEYS[1]表示redis锁的key，KEYS[2]表示解锁的消息通道，ARGV[1] 表示消息实体，ARGV[2]表示redis锁的超期时间，ARGV[3]表示加锁的线程（field）

　　首先判断锁是否存在，如果不存在，说明已经解锁成功，直接发布消息已解锁的消息，以唤醒其他订阅锁的线程重新竞争锁；

　　如果锁仍然存在，则判断该锁是否是当前线程持有（field和本次的线程id是否一致），如果不一致，说明该锁不是此线程加的锁，不允许解锁。

　　如果是该线程加的锁，则将value减一，计算后的结果（加锁的次数）是否大于0 ，如果大于0，说明并没有完全解锁，重置超期时间即可；否则，则说明已经完全解锁，删除key，并通过通道发布已解锁消息。

五、Redisson分布式锁的使用

　　1、引包

        <dependency>
            <groupId>org.redisson</groupId>
            <artifactId>redisson</artifactId>
            <version>2.7.0</version>
        </dependency>

　　2、创建RedissonManager，用来获取Redisson对象

public class RedissonManager {
    private static Config config = new Config(); //声明redisso对象
    private static Redisson redisson = null;

    static{
        config.useClusterServers() // 集群状态扫描间隔时间，单位是毫秒
                .setScanInterval(2000) //cluster方式至少6个节点(3主3从，3主做sharding，3从用来保证主宕机后可以高可用)
                .addNodeAddress("redis://8.131.245.53:8001" )
                .addNodeAddress("redis://8.131.245.53:8002" )
                .addNodeAddress("redis://8.131.245.53:8003" )
                .addNodeAddress("redis://8.131.245.53:8004" )
                .addNodeAddress("redis://8.131.245.53:8005" )
                .addNodeAddress("redis://8.131.245.53:8006" );
        //得到redisson对象
        redisson = (Redisson) Redisson.create(config);
    }

    //获取redisson对象的方法
    public static Redisson getRedisson(){
        return redisson;
    }
}

　　3、创建RedissonLock对象，用来处理加锁解锁处理

public class RedissonLockService {
    //从配置类中获取redisson对象
    private static Redisson redisson = RedissonManager.getRedisson();
    private static final String LOCK_TITLE = "redisLock_";
    //加锁
    public static boolean acquire(String lockName){
        //声明key对象
        String key = LOCK_TITLE + lockName;
        //获取锁对象
        RLock mylock = redisson.getLock(key);
        //加锁，并且设置锁过期时间3秒，防止死锁的产生 uuid+threadId
        mylock.lock(3, TimeUnit.MINUTES);
        //加锁成功
        return true;
    }

    //锁的释放
    public static void release(String lockName) {
        //必须是和加锁时的同一个key
        String key = LOCK_TITLE + lockName;
        //获取锁对象
        RLock mylock = redisson.getLock(key);
        //释放锁（解锁）
        mylock.unlock();
    }
}

　　验证结果：

　　总结：Redisson的使用总体来说还是比较简单的，直接使用redisson.lock()就可以加锁，使用redisson.getlock()就可以获得锁，使用redisson.unlock就可以解锁。