Redis的分布式锁

Redis的分布式锁

问题描述

随着业务发展的需要，原单体单机部署的系统被演化成分布式集群系统后，由于分布式系统多线程、多进程并且分布在不同机器上，这将使原单机部署情况下的并发控制锁策略失效，单纯的Java API并不能提供分布式锁的能力。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！

分布式锁主流的实现方案：

1. 基于数据库实现分布式锁
2. 基于缓存（Redis等）
3. 基于Zookeeper
   每一种分布式锁解决方案都有各自的优缺点：
4. 性能：redis最高
5. 可靠性：zookeeper最高
   这里，我们就基于redis实现分布式锁。

1、解决方案：使用redis实现分布式锁

redis命令:

setnx  <key>  <value>
set  <key>  <value>  NX  EX/PX  <second>

EX  <second>      设置键的过期时间为 second 秒。 
set <key> <value> EX <second> 效果等同于 setex <key> <second> <value> 。
PX  <millisecond> 设置键的过期时间为 millisecond 毫秒。 
set <key> <value> PX <millisecond> 效果等同于 psetex <key> <millisecond> <value> 。
NX ：只在键不存在时，才对键进行设置操作。 
set <key> <value> nx 效果等同于 setnx <key> <value> 。
*X ：只在键已经存在时，才对键进行设置操作。

1、使用setnx上锁，通过del释放锁。

2、锁一直没有释放，设置key的过期时间，自动释放

3、上锁之后出现异常，无法设置过期时间，则可以上锁的时候同时设置过期时间。

1. 多个客户端同时获取锁（setnx）。

2. 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）。

3. 其他客户端等待重试。

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。

编写测试代码

    @Test
    public void testLock(){
        //1、在redis中设置number值用于计数
        redisTemplate.opsForValue().set("number", 0);
        //2、获取锁，setnx，即设置setnx
        Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "111");
        //3、判断是否获取锁成功、成功则查询num的值
        if(lock){
            int number = (Integer)redisTemplate.opsForValue().get("number");
            //判断number是否为空
            if (StringUtils.isEmpty(number)) {
                return;
            }
            //不为空，则修改number的值
            redisTemplate.opsForValue().set("number", number++);
            //释放锁，del
            redisTemplate.delete("lock");

        } else {
            //4、获取锁失败，每隔0.1秒再获取
            try {
                Thread.sleep(100);
                testLock();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //再获取number的值，查看是否操作成功
        redisTemplate.opsForValue().get("number");
    }

2、优化之设置锁的过期时间

设置过期时间有两种方式：

1. 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）
2. 在set时指定过期时间，set <键> <值> nx ex <时间>（推荐）

问题：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

1. index1业务逻辑没执行完，3秒后锁被自动释放。
2. index2获取到锁，执行业务逻辑，3秒后锁被自动释放。
3. index3获取到锁，执行业务逻辑
4. 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

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。
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UUID完成了，这个时候，开始执行删除锁操作，删除的index2的锁！

解决：使用Lua脚本保证删除的原子性。

4、优化之LUA脚本保证删除的原子性

@Test
    public void testLockLua() {
        //1 声明一个uuid ,将做为一个value 放入我们的key所对应的值中
        String uuid = UUID.randomUUID().toString();
        //2 定义一个锁：lua 脚本可以使用同一把锁，来实现删除！
        String skuId = "25";             // 访问skuId 为25号的商品 100008348542
        String locKey = "lock:" + skuId; // 锁住的是每个商品的数据
        // 3 获取锁
        Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(locKey, uuid, 3, TimeUnit.SECONDS);

        // 如果true
        if (lock) {
            // 执行的业务逻辑开始
            // 获取缓存中的num 数据
            Object value = redisTemplate.opsForValue().get("num");
            // 如果是空直接返回
            if (StringUtils.isEmpty(value)) {
                return;
            }
            // 不是空 如果说在这出现了异常！ 那么delete 就删除失败！ 也就是说锁永远存在！
            int num = Integer.parseInt(value + "");
            // 使num 每次+1 放入缓存
            redisTemplate.opsForValue().set("num", String.valueOf(++num));
            /*使用lua脚本来锁*/
            // 定义lua 脚本
            String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
            // 使用redis执行lua执行
            DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
            redisScript.setScriptText(script);
            // 设置一下返回值类型 为Long
            // 因为删除判断的时候，返回的0,给其封装为数据类型。如果不封装那么默认返回String 类型，
            // 那么返回字符串与0 会有发生错误。
            redisScript.setResultType(Long.class);
            // 第一个要是script 脚本 ，第二个需要判断的key，第三个就是key所对应的值。
            redisTemplate.execute(redisScript, Arrays.asList(locKey), uuid);
        } else {
            // 其他线程等待
            try {
                // 睡眠
                Thread.sleep(1000);
                // 睡醒了之后，调用方法。
                testLockLua();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

Lua 脚本详解：

项目中正确使用：

1. 定义key，key应该是为每个sku定义的，也就是每个sku有一把锁。

String locKey ="lock:"+skuId; // 锁住的是每个商品的数据
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(locKey, uuid,3,TimeUnit.SECONDS);

Redis分布式锁的总结

1、加锁

// 1. 从redis中获取锁,set k1 v1 px 20000 nx
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
Boolean lock = this.redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", uuid, 2, TimeUnit.SECONDS);

2、使用lua释放锁

// 2. 释放锁 del
String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
// 设置lua脚本返回的数据类型
DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
// 设置lua脚本返回类型为Long
redisScript.setResultType(Long.class);
redisScript.setScriptText(script);
redisTemplate.execute(redisScript, Arrays.asList("lock"),uuid);

3、重试

Thread.sleep(500);
testLock();

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四个条件：

• 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。