redis实战-redis实现分布式锁&redisson快速入门

你的名字 2023-10-15 15:33 73阅读 0赞

前言

集群环境下的并发问题

分布式锁

定义

需要满足的条件

常见的分布式锁

redis实现分布式锁

核心思路

代码实现

误删情况

逻辑说明

解决方案

代码实现

更为极端的误删情况

Lua脚本解决原子性问题

分布式锁-redission

redisson的概念

快速入门

总结

--------------------

# 前言 #

在前面我们已经实现了单机模式下的一人一单，但如果开启集群模式，单机模式的方案显然不适用，首先就是锁方案，在集群模式下，如果使用synchronized来作为锁，那每个单机都有属于自己的锁，这就导致锁失效，这时候就要采用分布式锁，本文使用redis的setnx操作来手动实现分布式锁，最后使用redisson做分布式锁，同时也对分布式锁常见问题给出了解决方案

# 集群环境下的并发问题 #

在前文实现一人一单的代码是加上synchronized即可保证线程安全，但是在集群模式下就不行了。syn锁会失效，有关锁失效原因分析

> 由于现在我们部署了多个tomcat，每个**tomcat都有一个属于自己的jvm**，那么假设在服务器A的tomcat内部，有两个线程，这两个线程由于使用的是同一份代码，那么他们的锁对象是同一个，是可以实现互斥的，但是如果现在是服务器B的tomcat内部，又有两个线程，但是他们的锁对象写的虽然和服务器A一样，但是锁对象却不是同一个，所以线程3和线程4可以实现互斥，但是却无法和线程1和线程2实现互斥，这就是集群环境下，syn锁失效的原因，在这种情况下，我们就需要使用分布式锁来解决这个问题。

![bf5e7988ca9c4508bef0126c16d4ca7c.png][]

# 分布式锁 #

## 定义 ##

分布式锁：满足分布式系统或集群模式下多进程可见并且互斥的锁。

分布式锁的核心思想就是**让大家都使用同一把锁**，只要大家使用的是同一把锁，那么我们就能锁住线程，不让线程进行，让程序串行执行，这就是分布式锁的核心思路

![080f8113136c4e3aaf1a4843fc4d2021.png][]

## 需要满足的条件 ##

> **可见性**：多个线程都能看到相同的结果，即多个线程都要得到相同的信息，注意：**这个地方说的可见性并不是并发编程中指的内存可见性，只是说多个进程之间都能感知到变化的意思**
> 
> **互斥**：互斥是分布式锁的最基本的条件，使得程序串行执行
> 
> **高可用**：程序不易崩溃，时时刻刻都保证较高的可用性
> 
> **高性能**：由于加锁本身就让性能降低，所有对于分布式锁本身需要他就较高的加锁性能和释放锁性能
> 
> **安全性**：安全也是程序中必不可少的一环

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## 常见的分布式锁 ##

> Mysql：mysql本身就带有锁机制，但是由于mysql性能本身一般，所以采用分布式锁的情况下，其实使用mysql作为分布式锁比较少见
> 
> Redis：redis作为分布式锁是非常常见的一种使用方式，现在企业级开发中基本都使用redis或者zookeeper作为分布式锁，**利用setnx这个方法，如果插入key成功，则表示获得到了锁**，如果有人插入成功，其他人插入失败则表示无法获得到锁，利用这套逻辑来实现分布式锁
> 
> Zookeeper：zookeeper也是企业级开发中较好的一个实现分布式锁的方案。

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# redis实现分布式锁 #

实现分布式锁时需要实现的两个基本方法：

*  获取锁：
    
     *  互斥：确保只能有一个线程获取锁
     *  非阻塞：尝试一次，成功返回true，失败返回false
 *  释放锁：
    
     *  手动释放
     *  超时释放：获取锁时**添加一个超时时间，防止发生死锁**

## 核心思路 ##

我们利用redis 的**setNx 方法**，当有多个线程进入时，我们就利用该方法，第一个线程进入时，redis 中就有这个key 了，返回了1，如果结果是1，则表示他抢到了锁，那么他去执行业务，然后再删除锁，退出锁逻辑，没有抢到锁的线程，等待一定时间后重试即可

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## 代码实现 ##

ILock接口，制定锁操作的规范

/**
     * @author 
     * @version 1.0
     * @description: 锁的基本接口
     * @date 2023/9/4 9:16
     */
    public interface ILock {
        //尝试获取锁
        boolean tryLock(Long timeoutSec);
        //释放锁
        void unlock();
    }

redis分布式锁的初级版本

/**
     * @author 
     * @version 1.0
     * @description: redis分布式锁初级版本
     * @date 2023/9/4 9:20
     */
    public class SimpleRedisLock implements ILock {
        private String name;
        private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
        private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    
        public SimpleRedisLock(String name, StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
            this.name = name;
            this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
        }
    
        @Override
        public boolean tryLock(Long timeoutSec) {
            //获取当前线程id
            long id = Thread.currentThread().getId();
            Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, id + "", timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
            //防止自动拆箱出现空指针
            return Boolean.TRUE.equals(success);
        }
    
        @Override
        public void unlock() {
            //释放锁
            stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
        }
    }

执行setnx操作时用用户id拼接上order，实现了一人一单。

@Override
        public Result seckillVoucher(Long voucherId) {
            SeckillVoucher seckillVoucher = seckillVoucherService.getById(voucherId);
            //判断是否开始，开始时间如果在当前时间之后就是尚未开始
            if (seckillVoucher.getBeginTime().isAfter(LocalDateTime.now())) {
                return Result.fail("秒杀尚未开始");
            }
            //判断是否结束，结束时间如果在当前时间之前就是已经结束
            if (seckillVoucher.getEndTime().isBefore(LocalDateTime.now())) {
                return Result.fail("秒杀已经结束");
            }
            //判断库存是否充足
            if (seckillVoucher.getStock() < 1) {
                return Result.fail("库存不足");
            }
            Long userId = UserHolder.getUser().getId();
            //创建锁对象
            SimpleRedisLock lock = new SimpleRedisLock("order:" + userId, stringRedisTemplate);
            //尝试获取锁
            boolean isLock = lock.tryLock(1200L);
            //获取锁失败
            if(!isLock){
                return Result.fail("不允许重复下单");
            }
            try {
                return voucherOrderService.createVoucherOrder(voucherId);
            }finally {
                //释放锁
                lock.unlock();
            }
        }

## 误删情况 ##

### 逻辑说明 ###

> 持有锁的线程在锁的内部出现了阻塞，导致他的锁到了过期时间自动释放，这时其他线程，**线程2来尝试获得锁，就拿到了这把锁**，然后线程2在持有锁执行过程中，线程1反应过来，继续执行，而**线程1执行过程中，走到了删除锁逻辑**，此时就会把**本应该属于线程2的锁进行删除**，这就是误删别人锁的情况说明

### 解决方案 ###

> 解决方案就是在每个线程释放锁的时候，去判断一下当前这把锁是否属于自己，如果不属于自己，则不进行锁的删除，假设还是上边的情况，线程1卡顿，锁自动释放，线程2进入到锁的内部执行逻辑，此时线程1反应过来，然后删除锁，但是线程1，一看当前这把锁不是属于自己，于是不进行删除锁逻辑，当线程2走到删除锁逻辑时，如果没有卡过自动释放锁的时间点，则判断当前这把锁是属于自己的，于是删除这把锁。即在释放锁前判断一下锁是否是自己的，**需要在获取锁时加上特有的线程标识，本项目采用的是uuid+线程id，因为在集群模式下，线程id可能会有冲突，需要拼上uuid**

### 代码实现 ###

核心思路

修改之前的分布式锁实现，满足：在获取锁时存入线程标示（可以用UUID表示） 在释放锁时先获取锁中的线程标示，判断是否与当前线程标示一致

*  如果一致则释放锁
 *  如果不一致则不释放锁

核心逻辑：在存入锁时，放入自己线程的标识，在删除锁时，判断当前这把锁的标识是不是自己存入的，如果是，则进行删除，如果不是，则不进行删除。

![23865729d5214ee7a499e5acd76c161a.png][]

@Override
        public boolean tryLock(Long timeoutSec) {
            //获取当前线程id
            String id = ID_PREFIX+Thread.currentThread().getId();
            Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, id, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
            //防止自动拆箱出现空指针
            return Boolean.TRUE.equals(success);
        }
    
        @Override
        public void unlock() {
            //从redis中获取锁信息
            String id = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);
            //获取当前线程标识
            String ThreadId = ID_PREFIX+Thread.currentThread().getId();
            //自己的锁才释放
            if(id.equals(ThreadId)) {
                //释放锁
                stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
            }
        }

### 更为极端的误删情况 ###

> 线程1现在持有锁之后，在执行业务逻辑过程中，他正准备删除锁，而且已经走到了条件判断的过程中，比如他已经拿到了当前这把锁确实是属于他自己的，正准备删除锁，但是此时他的锁到期了，那么此时线程2进来，但是线程1他会接着往后执行，当他卡顿结束后，他直接就会执行删除锁那行代码，相当于条件判断并没有起到作用，这就是删锁时的原子性问题，之所以有这个问题，是因为线程1的拿锁，比锁，删锁，实际上并不是原子性的，我们要防止刚才的情况发生，即要保证验证锁和删除锁这两个操作是原子操作不可中断

#### **Lua脚本解决原子性问题** ####

Redis提供了Lua脚本功能，在一个脚本中编写多条Redis命令，确保多条命令执行时的原子性。Lua是一种编程语言，它的基本语法大家可以参考网站：[Lua 教程 | 菜鸟教程][Lua _ _]，这里重点介绍Redis提供的调用函数，我们可以使用lua去操作redis，又能保证他的原子性，这样就**可以实现拿锁比锁删锁是一个原子性动作了**，作为Java程序员这一块并不作一个简单要求，并不需要过于精通，只需要知道他有什么作用即可。

> 释放锁的业务流程是这样的
> 
> 1、获取锁中的线程标示
> 
> 2、判断是否与指定的标示（当前线程标示）一致
> 
> 3、如果一致则释放锁（删除）
> 
> 4、如果不一致则什么都不做
> 
> 最终我们操作redis的拿锁比锁删锁的lua脚本就会变成这样

-- 这里的 KEYS[1] 就是锁的key，这里的ARGV[1] 就是当前线程标示
    -- 获取锁中的标示，判断是否与当前线程标示一致
    if (redis.call('GET', KEYS[1]) == ARGV[1]) then
      -- 一致，则删除锁
      return redis.call('DEL', KEYS[1])
    end
    -- 不一致，则直接返回
    return 0

代码改动如下

private static final DefaultRedisScript<Long> UNLOCK_SCRIPT;
        static {
            UNLOCK_SCRIPT = new DefaultRedisScript<>();
            UNLOCK_SCRIPT.setLocation(new ClassPathResource("unlock.lua"));
            UNLOCK_SCRIPT.setResultType(Long.class);
        }
    
    public void unlock() {
        // 调用lua脚本
        stringRedisTemplate.execute(
                UNLOCK_SCRIPT,
                Collections.singletonList(KEY_PREFIX + name),
                ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId());
    }

# 分布式锁-redission #

基于setnx实现的分布式锁存在下面的问题：

> **重入问题**：重入问题是指 获得锁的线程可以再次进入到相同的锁的代码块中，可重入锁的意义在于防止死锁，比如HashTable这样的代码中，他的方法都是使用synchronized修饰的，假如他在一个方法内，调用另一个方法，那么此时如果是不可重入的，不就死锁了吗？所以可重入锁他的主要意义是防止死锁，我们的synchronized和Lock锁都是可重入的。
> 
> **不可重试**：是指目前的分布式只能尝试一次，我们认为合理的情况是：当线程在获得锁失败后，他应该能再次尝试获得锁。
> 
> **超时释放：**我们在加锁时增加了过期时间，这样的我们可以防止死锁，但是如果卡顿的时间超长，虽然我们采用了lua表达式防止删锁的时候，误删别人的锁，但是毕竟没有锁住，有安全隐患
> 
> **主从一致性：** 如果Redis提供了主从集群，当我们向集群写数据时，主机需要异步的将数据同步给从机，而万一在同步过去之前，主机宕机了，就会出现死锁问题

## redisson的概念 ##

Redisson是一个在Redis的基础上实现的Java驻内存数据网格（In-Memory Data Grid）。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，其中就包含了各种分布式锁的实现。

Redission提供了分布式锁的多种多样的功能，并不需要我们手动去实现锁，同时redisson实现分布式锁也能完美解决上述setnx的问题

![b3ec21abefc6452ba0752bac002c4642.png][]

## 快速入门 ##

导入依赖，不建议直接导入start，这会覆盖springboot对redisson原有的配置

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

配置Redisson客户端：

@Configuration
    public class RedissonConfig {
    
        @Bean
        public RedissonClient redissonClient(){
            // 配置
            Config config = new Config();
            config.useSingleServer().setAddress("redis://localhost:6379")
                .
            // 创建RedissonClient对象
            return Redisson.create(config);
        }
    }

只需要将先前我们自己写的锁换成redisson的锁即可

@Resource
    private RedissonClient redissonClient;
    
    @Override
    public Result seckillVoucher(Long voucherId) {
            // 1.查询优惠券
            SeckillVoucher voucher = seckillVoucherService.getById(voucherId);
            // 2.判断秒杀是否开始
            if (voucher.getBeginTime().isAfter(LocalDateTime.now())) {
                // 尚未开始
                return Result.fail("秒杀尚未开始！");
            }
            // 3.判断秒杀是否已经结束
            if (voucher.getEndTime().isBefore(LocalDateTime.now())) {
                // 尚未开始
                return Result.fail("秒杀已经结束！");
            }
            // 4.判断库存是否充足
            if (voucher.getStock() < 1) {
                // 库存不足
                return Result.fail("库存不足！");
            }
            Long userId = UserHolder.getUser().getId();
            //创建锁对象 这个代码不用了，因为我们现在要使用分布式锁
            //SimpleRedisLock lock = new SimpleRedisLock("order:" + userId, stringRedisTemplate);
            RLock lock = redissonClient.getLock("lock:order:" + userId);
            //获取锁对象
            boolean isLock = lock.tryLock();
           
    		//加锁失败
            if (!isLock) {
                return Result.fail("不允许重复下单");
            }
            try {
                //获取代理对象(事务)
                IVoucherOrderService proxy = (IVoucherOrderService) AopContext.currentProxy();
                return proxy.createVoucherOrder(voucherId);
            } finally {
                //释放锁
                lock.unlock();
            }
     }

# 总结 #

我们一路走来，利用添加过期时间，防止死锁问题的发生，但是有了过期时间之后，可能出现误删别人锁的问题，这个问题我们开始是利用删之前 通过拿锁，比锁，删锁这个逻辑来解决的，也就是删之前判断一下当前这把锁是否是属于自己的，但是现在还有原子性问题，也就是我们没法保证拿锁比锁删锁是一个原子性的动作，最后通过lua表达式来解决这个问题，但利用setnx实现分布式锁仍然存在着不少问题，比如不可重入，不可重试等，而且在企业中常用的也是用redisson做分布式锁，不用重复造轮子，但我们通过setnx自己实现一个分布式锁，有助于我们对分布式锁原理了解得更深，路漫漫其修远兮，慢慢加油。

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[Lua _ _]: https://www.runoob.com/lua/lua-tutorial.html
[b3ec21abefc6452ba0752bac002c4642.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/b3ec21abefc6452ba0752bac002c4642.png