文章目录

一、分布式锁

1. 分布式锁的基本原理

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。

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2. 分布式锁的特点

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3. 分布式锁的实现方式

  • 分布式锁的核心是实现多进程之间互斥，而满足这一点的方式有很多，常见的有三种：

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二、基于Redis的分布式锁

1. 分布式锁执行流程

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
# 添加锁，NX是互斥，EX是设置超时时间
SET lock thread NX EX 10

  • 释放锁：

    • 手动释放
    • 超时释放：获取锁时添加一个超时时间
# 释放锁，删除即可
DEL key

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2. 基于Redis实现分布式锁的初级版本

需求：定义一个类，实现下面接口，利用Redis实现分布式锁功能。

public interface ILock {

    /**
     * 非阻塞方式，尝试获取锁
     * @param timeoutSec 锁持有的超时时间，过期后自动释放
     * @return true代表获取锁成功; false代表获取锁失败
     */
    boolean tryLock(long timeoutSec);

    /**
     * 释放锁
     */
    void unlock();
}

简单实现redis分布式锁：

public class SimpleRedisLock implements ILock {

	// 业务名称
    private String name;
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

	// 通过构造方法将name和stringRedisTemplate传入
    public SimpleRedisLock(String name, StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
        this.name = name;
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
    }

    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";

    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        // 获取线程标识
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId + "", timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

    @Override
    public void unlock() {
        //通过del删除锁
        stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
    }
}

改造上一章中加synchronized锁的代码：

  • 使用synchronized锁
synchronized (userId.toString().intern()) {
    // 获取代理对象（事务）
    IVoucherOrderService proxy = (IVoucherOrderService) AopContext.currentProxy();
   return proxy.createVoucherOrder(voucherId);
}
  • 使用Redis分布式锁
// 使用Redis分布式锁
// 创建锁对象
SimpleRedisLock lock = new SimpleRedisLock("order:" + userId, stringRedisTemplate);
// 获取锁对象
boolean isLock = lock.tryLock(5);
// 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();
}

三、Redis分布式锁误删问题

1. 误删问题分析

  • 线程1先获取锁后，由于业务阻塞还没执行完成，线程1的锁超时后自动释放
  • 线程2在线程1的锁超时自动释放后，进行加锁成功
  • 正好线程1将业务接着执行完后，需要释放锁，此时释放的就是线程2的锁，造成了误删问题
  • 误删后，线程3又加锁成功，此时，线程2和线程3就出现了并发执行业务，造成并发安全问题
    在这里插入图片描述

2. 解决方案

  • 在获取锁时存入线程标识（可以用UUID表示）

  • 在释放锁时先获取锁中的线程标识，判断是否与当前线程标识一致

    • 如果一致则释放锁
    • 如果不一致则不释放锁
      注意：不要直接将线程id作为线程标识，因为不同JVM中的线程id可能一样，所以可以用 线程id+UUID 作为线程标识
      在这里插入图片描述

3. 改进分布式锁的实现

public class SimpleRedisLock implements ILock {

    // 业务名称
    private String name;
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    // 通过构造方法将name和stringRedisTemplate传入
    public SimpleRedisLock(String name, StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
        this.name = name;
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
    }

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

    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        // 获取线程标识
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

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

四、分布式锁的原子性问题

1. 原子性问题分析

  • 线程1执行完业务后，准备释放锁
  • 先判断完锁一致后，正准备释放时，发生了阻塞（例如：GC时所有线程会阻塞），恰好线程1在阻塞期间，锁超时被释放
  • 线程2获取锁成功，此时线程1被唤醒后，继续释放锁，由于之前判断过锁的标识，所以直接释放锁，但是此时的锁是线程2的
  • 线程3又加锁成功，此时，线程2和线程3就出现了并发执行业务，造成并发安全问题
    在这里插入图片描述

2. Lua脚本解决多条命令原子性问题

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：https://www.runoob.com/lua/lua-tutorial.html

这里重点介绍Redis提供的调用函数，语法如下：

# 执行Redis命令
redis.call('命令名称', 'key', '其他参数', ...)

例如，我们要执行set name jack，则脚本是这样：

# 执行 set name jack
redis.call('set', 'name', 'jack')

例如，我们要先执行set name Rose，再执行get name，则脚本如下：

# 先执行 set name jack
redis.call('set', 'name', 'jack')
# 再执行 get name
local name = redis.call('get', 'name')
# 返回
return name

写好脚本以后，需要用Redis命令来调用脚本，调用脚本的常见命令如下：

127.0.0.1:6379> help @scripting
  EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]
  summary: Execute a Lua script server side
  since: 2.6.0

例如，我们要执行 redis.call(‘set’, ‘name’, ‘jack’) 这个脚本，语法如下：

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如果脚本中的key、value不想写死，可以作为参数传递。key类型参数会放入KEYS数组，其它参数会放入ARGV数组，在脚本中可以从KEYS和ARGV数组获取这些参数：
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释放锁的业务流程是这样的：

  1. 获取锁中的线程标识
  2. 判断是否与指定的标识（当前线程标识）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

如果用Lua脚本来表示则是这样的：

-- 这里的 KEYS[1] 就是锁的key，这里的ARGV[1] 就是当前线程标识
-- 获取锁中的标识，判断是否与当前线程标识一致
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

3. 再次改进Redis的分布式锁

需求：基于Lua脚本实现分布式锁的释放锁逻辑

提示：RedisTemplate调用Lua脚本的API如下：

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  • 将编写的Lua脚本放在resources目录下：
    在这里插入图片描述
public class SimpleRedisLock implements ILock {

    // 业务名称
    private String name;
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    // 通过构造方法将name和stringRedisTemplate传入
    public SimpleRedisLock(String name, StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
        this.name = name;
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
    }

    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";
    // 加载Lua脚本
    private static final DefaultRedisScript<Long> UNLOCK_SCRIPT;
    static {
        UNLOCK_SCRIPT = new DefaultRedisScript<>();
        UNLOCK_SCRIPT.setLocation(new ClassPathResource("unlock.lua"));
        UNLOCK_SCRIPT.setResultType(Long.class);
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        // 获取线程标识
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

    @Override
    public void unlockL() {
        // 调用Lua脚本
        stringRedisTemplate.execute(
                UNLOCK_SCRIPT,
                Collections.singletonList(KEY_PREFIX + name),
                ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId());
    }

五、小结

基于Redis的分布式锁实现思路：

  • 利用set nx ex获取锁，并设置过期时间，保存线程标识
  • 释放锁时先判断线程标识是否与自己一致，一致则删除锁

特性：

  • 利用set nx满足互斥性
  • 利用set ex保证故障时锁依然能释放，避免死锁，提高安全性
  • 利用Redis集群保证高可用和高并发特性
# redis # 分布式 # java
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