分布式锁实现
分布式锁实现
分布式锁主流的实现方案：
- 基于数据库实现分布式锁
- 基于缓存（ Redis等）
- 基于Zookeeper
每一种分布式锁解决方案都有各自的优缺点：
- 高性能：Redis最高
- 可靠性：zookeeper最高
分布式锁的关键是多进程共享的内存标记(锁)，因此只要我们在Redis中放置一个这样的标记(数据)就可以了。不过在实现过程中，不要忘了我们需要实现下列目标：
- 多进程可见：多进程可见，否则就无法实现分布式效果
- 避免死锁：死锁的情况有很多，我们要思考各种异常导致死锁的情况，保证锁可以被释放
- 排它：同一时刻，只能有一个进程获得锁
- 高可用：避免锁服务宕机或处理好宕机的补救措施(redis集群架构：1.主从复制 2.哨兵 3.cluster集群)
分布式锁使用的逻辑如下：
尝试获取锁
成功：执行业务代码
执行业务
try{
获取锁
业务代码-宕机
} catch(){
}finally{
释放锁
}
失败：等待；
使用Redis实现分布式锁
- 多个客户端同时获取锁（setnx）
- 获取成功，执行业务逻辑：从db获取数据，放入缓存，执行完成释放锁（del）
- 其他客户端等待重试
1、分布式锁初版
/**
* 采用SpringDataRedis实现分布式锁
* 原理：执行业务方法前先尝试获取锁（setnx存入key val），如果获取锁成功再执行业务代码，业务执行完毕后将锁释放(del key)
*/
@Override
public void testLock() {
//0.先尝试获取锁 setnx key val
Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "lock");
if(flag){
//获取锁成功，执行业务代码
//1.先从redis中通过key num获取值 key提前手动设置 num 初始值：0
String value = stringRedisTemplate.opsForValue().get("num");
//2.如果值为空则非法直接返回即可
if (StringUtils.isBlank(value)) {
return;
}
//3.对num值进行自增加一
int num = Integer.parseInt(value);
stringRedisTemplate.opsForValue().set("num", String.valueOf(++num));
//4.将锁释放
stringRedisTemplate.delete("lock");
}else{
try {
Thread.sleep(100);
this.testLock();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
问题：setnx刚好获取到锁，业务逻辑出现异常，导致锁无法释放
解决：设置过期时间，自动释放锁。
2、优化之设置锁的过期时间
设置过期时间有两种方式：
- 首先想到通过expire设置过期时间（缺乏原子性：如果在setnx和expire之间出现异常，锁也无法释放）
- 在set时指定过期时间（推荐）
设置过期时间：
//0.先尝试获取锁 setnx key val
Boolean flag = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "lock", 3, TimeUnit.SECONDS);
问题1：设置过期时间可能会出现业务未执行完，key就过期了，其他线程就可以获取到锁，此时就出现了并发安全问题。
解决：自动续期
当前线程加锁成功后，创建了一个子线程，当锁的ttl时间还剩1/3时，自动将锁的ttl恢复到目标时间，这个操作就是锁的自动续期。
public void test(){
new Thread(
()->{
while(true){
if(ttl==ttl/3){
redisTemplate.opsForValue().set(key,value,time, TimeUnit.SECONDS);
}
}
}
).start()
//业务代码...
}
问题2：可能会释放其他服务器的锁。
场景：如果业务逻辑的执行时间是7s。执行流程如下
- index1业务逻辑没执行完，3秒后锁被自动释放。
- index2获取到锁，执行业务逻辑，3秒后锁被自动释放。
- index3获取到锁，执行业务逻辑，index1业务逻辑执行完成，开始调用del释放锁，这时释放的是index3的锁， 导致index3的业务只执行1s就被别人释放。最终等于没锁的情况。
解决：setnx获取锁时，设置一个指定的唯一值（例如：uuid）；释放前获取这个值，判断是否自己的锁
3、优化之UUID防误删
@Override
public void testLock() {
//0.先尝试获取锁 setnx key val
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", uuid, 3, TimeUnit.SECONDS);
if(flag){
//获取锁成功，执行业务代码
//1.先从redis中通过key num获取值 key提前手动设置 num 初始值：0
String value = stringRedisTemplate.opsForValue().get("num");
//2.如果值为空则非法直接返回即可
if (StringUtils.isBlank(value)) {
return;
}
//3.对num值进行自增加一
int num = Integer.parseInt(value);
stringRedisTemplate.opsForValue().set("num", String.valueOf(++num));
//4.将锁释放,判断当前持有锁的对象=》是否《=跟当初获取锁的对象的值 一致
if(uuid.equals((String)stringRedisTemplate.opsForValue().get("lock"))) {
stringRedisTemplate.delete("lock");
}
}else{
try {
Thread.sleep(100);
this.testLock();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
问题：删除操作缺乏原子性。
场景：
1、index1执行删除时，查询到的lock值确实和uuid相等
2、index1执行删除前，lock刚好过期时间已到，被Redis自动释放，在Redis中没有了锁。
3、index2获取了lock,index2线程获取到了cpu的资源，开始执行方法
4、index1执行删除，此时会把index2的lock删除。
index1 因为已经在方法中了，所以不需要重新上锁。index1有执行的权限。index1已经比较完成了，这个时候，开始执行删除了index2的锁！
解决：使用lua脚本保证原子性
4、优化之LUA脚本保证删除的原子性
释放锁的LUA脚本：
if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end
redis java客户端使用LUA脚本：
//通过execute可以执行LUA脚本，参数1：脚本字符串，参数2：脚本返回值类型,参数3：keys列表，参数4：argv列表
stringRedisTemplate.execute(new DefaultRedisScript<>(script , Boolean.class),list,args...)
使用LUA脚本优化分布式锁
/**
* 采用SpringDataRedis实现分布式锁
* 原理：执行业务方法前先尝试获取锁（setnx存入key val），如果获取锁成功再执行业务代码，业务执行完毕后将锁释放(del key)
*/
@Override
public void testLock() {
//0.先尝试获取锁 setnx key val
//问题：锁可能存在线程间相互释放
//Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "lock", 10, TimeUnit.SECONDS);
//解决：锁值设置为uuid
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", uuid, 10, TimeUnit.SECONDS);
if(flag){
//获取锁成功，执行业务代码
//1.先从redis中通过key num获取值 key提前手动设置 num 初始值：0
String value = stringRedisTemplate.opsForValue().get("num");
//2.如果值为空则非法直接返回即可
if (StringUtils.isBlank(value)) {
return;
}
//3.对num值进行自增加一
int num = Integer.parseInt(value);
stringRedisTemplate.opsForValue().set("num", String.valueOf(++num));
//4.将锁释放 判断uuid
//问题：删除操作缺乏原子性。
//if(uuid.equals(stringRedisTemplate.opsForValue().get("lock"))){ //线程一：判断是满足是当前线程锁的值
// //条件满足，此时锁正好到期，redis锁自动释放了线程2获取锁成功，线程1将线程2的锁删除
// stringRedisTemplate.delete("lock");
//}
//解决：redis执行lua脚本保证原子，lua脚本执行会作为一个整体执行
//执行脚本参数 参数1：脚本对象封装lua脚本，参数二：lua脚本中需要key参数（KEYS[i]） 参数三：lua脚本中需要参数值 ARGV[i]
//4.1 先创建脚本对象 DefaultRedisScript泛型脚本语言返回值类型 Long 0：失败 1：成功
DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
//4.2设置脚本文本
String script = "if redis.call(\"get\",KEYS[1]) == ARGV[1]\n" +
"then\n" +
" return redis.call(\"del\",KEYS[1])\n" +
"else\n" +
" return 0\n" +
"end";
redisScript.setScriptText(script);
//4.3 设置响应类型
redisScript.setResultType(Long.class);
stringRedisTemplate.execute(redisScript, Arrays.asList("lock"), uuid);
}else{
try {
//睡眠
Thread.sleep(100);
//自旋重试
this.testLock();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
DefaultRedisScript
DefaultRedisScript是 Spring Data Redis 提供的一个类，用于简化 Redis Lua 脚本的使用。
类构造方法
DefaultRedisScript()：创建一个新的DefaultRedisScript实例。
主要方法
- setScriptText(String script)：设置要执行的脚本内容。
- 参数：一个字符串，表示 Lua 脚本的内容。
- setResultType(Class
resultType) ：设置脚本执行后返回值的类型。- 参数：指定返回值的类型，通常是
String.class、Long.class或Object.class。
- 参数：指定返回值的类型，通常是
- getScriptText()：获取当前设置的脚本文本。
- getResultType()：获取当前脚本的返回类型。
执行脚本
- redisTemplate.execute(redisScript对象, 实参1,实参2);
分布式锁总结
为了确保分布式锁可用，我们至少要确保锁的实现同时满足以下几个条件：
- 互斥性。在任意时刻，只有一个客户端能持有锁。
- 不会发生死锁。即使有一个客户端在持有锁的期间崩溃而没有主动解锁，也能保证后续其他客户端能加锁。
- 解铃还须系铃人。加锁和解锁必须是同一个客户端，客户端自己不能把别人加的锁给解了。
- 加锁和解锁必须具有原子性。
浙公网安备 33010602011771号