利用Redis实现分布式锁

写在最前面

我在之前总结幂等性的时候,写过一种分布式锁的实现,可惜当时没有真正应用过,着实的心虚啊。正好这段时间对这部分实践了一下,也算是对之前填坑了。

分布式锁按照网上的结论,大致分为三种:1、数据库乐观锁; 2、基于Redis的分布式锁;3.、基于ZooKeeper的分布式锁;

关于乐观锁的实现其实在之前已经讲的很清楚了,有兴趣的移步:使用mysql乐观锁解决并发问题 。今天先简单总结下redis的实现方法,后面详细研究过ZooKeeper的实现原理后再具体说说ZooKeeper的实现。

为什么需要分布式锁?

在传统单体应用单机部署的情况下,可以使用Java并发相关的锁,如ReentrantLcok或synchronized进行互斥控制。但是,随着业务发展的需要,原单体单机部署的系统,渐渐的被部署在多机器多JVM上同时提供服务,这使得原单机部署情况下的并发控制锁策略失效了,为了解决这个问题就需要一种跨JVM的互斥机制来控制共享资源的访问,这就是分布式锁要解决的问题。

分布式锁的实现条件

1、互斥性,和单体应用一样,要保证任意时刻,只能有一个客户端持有锁

2、可靠性,要保证系统的稳定性,不能产生死锁

3、一致性,要保证锁只能由加锁人解锁,不能产生A的加锁被B用户解锁的情况

Redis分布式锁的实现

Redis实现分布式锁不同的人可能有不同的实现逻辑,但是核心就是下面三个方法。

SETNX
SETNX key val
当且仅当key不存在时,set一个key为val的字符串,返回1;若key存在,则什么都不做,返回0。
Expire
expire key timeout
为key设置一个超时时间,单位为second,超过这个时间锁会自动释放,避免死锁。
Delete
delete key
删除key

获取锁

首先讲一个目前网上应用最多的一种实现

实现思路:

1.获取锁的时候,使用setnx加锁,并使用expire命令为锁添加一个超时时间,超过该时间则自动释放锁以免产生死锁,锁的value值为一个随机生成的UUID,通过此在释放锁的时候进行判断。

2.获取锁的时候还设置一个获取的超时时间,若超过这个时间则放弃获取锁。

3.释放锁的时候,通过UUID判断是不是该锁,若是该锁,则执行delete进行锁释放。

    public String getRedisLock(Jedis jedis, String lockKey, Long acquireTimeout, Long timeOut) {
        try {
            // 定义 redis 对应key 的value值(uuid) 作用 释放锁 随机生成value,根据项目情况修改
            String identifierValue = UUID.randomUUID().toString();
            // 定义在获取锁之后的超时时间
            int expireLock = (int) (timeOut / 1000);// 以秒为单位
            // 定义在获取锁之前的超时时间
            //使用循环机制 如果没有获取到锁,要在规定acquireTimeout时间 保证重复进行尝试获取锁
            // 使用循环方式重试的获取锁
            Long endTime = System.currentTimeMillis() + acquireTimeout;
            while (System.currentTimeMillis() < endTime) {
                // 获取锁
                // 使用setnx命令插入对应的redislockKey ,如果返回为1 成功获取锁
                if (jedis.setnx(lockKey, identifierValue) == 1) {
                    // 设置对应key的有效期
                    jedis.expire(lockKey, expireLock);
                    return identifierValue;
                }
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } 
        return null;
    }

这种实现方法也是目前应用最多的实现,我一直以为这确实是正确的。然而由于这是两条Redis命令,不具有原子性,如果程序在执行完setnx()之后突然崩溃,导致锁没有设置过期时间。那么还是会发生死锁的情况。网上之所以有人这样实现,是因为低版本的jedis并不支持多参数的set()方法。

当然这种情况Jedis的设计者也显然想到了,新版的Jedis可以同时set多个参数,具体实现如下:

实现思路:

基本上和原来的逻辑类似,只是将setnx和expire的操作合并为一步,改为使用新的set多参的方法。

set(final String key, final String value, final String nxxx, final String expx,final long time)

key和value自然不用多说。nxxx参数只可以传String 类型的NX(仅在不存在的情况下设置)和XX(和普通的set操作一样会做更新操作)两种。

expx是指到期时间单位,可传参数为EX (秒)和 PX (毫秒),time就是具体的过期时间了,单位为前面expx所指定的。

然后我们对上面的代码进行改造如下:

    /**
     * @param acquireTimeout
     *            在获取锁之前的超时时间
     * @param timeOut
     *            在获取锁之后的超时时间
     */
    public String getRedisLock(Jedis jedis, String lockKey, Long acquireTimeout, Long timeOut) {
        try {
            // 定义 redis 对应key 的value值(uuid) 作用 释放锁 随机生成value,根据项目情况修改
            String identifierValue = UUID.randomUUID().toString();
            // 定义在获取锁之前的超时时间
            //使用循环机制 如果没有获取到锁,要在规定acquireTimeout时间 保证重复进行尝试获取锁
            // 使用循环方式重试的获取锁
            Long endTime = System.currentTimeMillis() + acquireTimeout;
            while (System.currentTimeMillis() < endTime) {
                // 获取锁
                // set使用NX参数的方式就等同于 setnx()方法,成功返回OK.PX以毫秒为单位
                if ("OK".equals(jedis.set(lockKey, lockKey, "NX", "PX", timeOut))) {
                    return identifierValue;
                }
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } 
        return null;
    }

 好了,获取锁的操作基本上就上面这些,有同学可能要问,为什么不直接返回一个Boolean型的true或false呢?

正如我前面所说的,要保证解锁的一致性,所以就需要通过value值来保证解锁人就是加锁人,而不能直接返回true或false了。

下面在说下解锁的过程。

释放锁

还是先举一个错误的例子:

实现思路:

释放锁的时候,通过传入key和加锁时返回的value值,判断传入的value是否和key从redis中取出的相等。相等则证明解锁人就是加锁人,执行delete释放锁的操作。

    // 释放redis锁
    public void unRedisLock(Jedis jedis, String lockKey, String identifierValue) {
        try {
            // 如果该锁的id 等于identifierValue 是同一把锁情况才可以删除
            if (jedis.get(lockKey).equals(identifierValue)) {
                jedis.del(lockKey);
            }
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

看着好像没啥问题哈。然而仔细想想又总感觉哪里不对。

如果在执行jedis.del(lockKey)操作之前,刚好锁的过期时间到了,而这个时候又有别的客户端取到了锁,我们在此时执行删除操作,不是又不符合一致性的要求了吗。

然后我们修改为下述方案:

修改后的代码为:

public void unRedisLock(Jedis jedis, String lockKey, String identifierValue) {
        try {
            String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
            Long result = (Long) jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(identifierValue));
            //0释放锁失败。1释放成功
            if (1 == result) {
                //如果你想返回删除成功还是失败,可以在这里返回
                System.out.println(result+"释放锁成功");
            } 
            if (0 == result){
                System.out.println(result+"释放锁失败");
            }
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

实现思路:

我们将Lua代码传到jedis.eval()方法里,并使参数KEYS[1]赋值为lockKey,ARGV[1]赋值为identifierValue。eval()方法是将Lua代码交给Redis服务端执行。

那么这段Lua代码的功能是什么呢?其实很简单,首先获取锁对应的value值,检查是否与identifierValue相等,如果相等则删除锁(解锁)。那么为什么要使用Lua语言来实现呢?因为要确保上述操作是原子性的。

那么为什么执行eval()方法可以确保原子性?源于Redis的特性,因为Redis是单线程,在eval命令执行Lua代码的时候,Lua代码将被当成一个命令去执行,并且直到eval命令执行完成,Redis才会执行其他命令。

总结

本文对Redis实现分布式锁做了比较详细的总结。我个人也对上述代码做了实践检验。其实我在使用时,一直用的错误的案例。直到看到园友Ruthless的一篇文章才晓得稀疏平常的写法竟然漏洞百出,感谢博客园,感谢Ruthless。下一篇准备再研究研究ZooKeeper的实现。

最后附上Ruthless的原文链接:https://www.cnblogs.com/linjiqin/p/8003838.html