nosql 详谈Redis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：

1. 性能：redis最高

2. 可靠性：zookeeper最高

这里，我们就基于redis实现分布式锁。

解决方案：使用redis实现分布式锁

redis:命令

# set sku:1:info “OK” NX PX 10000

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 

XX ：只在键已经存在时，才对键进行设置操作。

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}，只是其他用户是无法获取到设置的锁的，只能等到执行完成释放锁（del），其他用户才能抢到锁

3. 其他客户端等待重试

Java代码操作

Redis: set num 0

@GetMapping("testLock")

public void testLock(){

//1获取锁，setne

Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "111");

//2获取锁成功、查询num的值

if(lock){

Object value = redisTemplate.opsForValue().get("num");

//2.1判断num为空return

if(StringUtils.isEmpty(value)){

return;

}

//2.2有值就转成成int

int num = Integer.parseInt(value+"");

//2.3把redis的num加1

redisTemplate.opsForValue().set("num", ++num);

//2.4释放锁，del

redisTemplate.delete("lock");

}else{

//3获取锁失败、每隔0.1秒再获取

try {

Thread.sleep(100);

testLock();

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

重启，服务集群，通过网关压力测试：

ab -n 1000 -c 100 http://192.168.140.1:8080/test/testLock

查看redis中num的值：

这是基本实现。

问题来了，假如setnx刚好获取到锁，业务逻辑出现异常，导致锁无法释放 

就如同在公共厕所里面，前一个人上厕所把门锁了但是突然之间厕所门锁坏了，里面的人出不来外面的人进不去。

解决：设置过期时间，自动释放锁。

优化：设置锁的自动过期时间

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（推荐）

 设置过期时间：

 此时问题又来了：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

优化：UUID防止误删

 此时问题又又来了：删除操作缺乏原子性。

场景：

index1执行删除时，查询到的lock值确实和uuid相等

           uuid=v1

           set(lock,uuid)；

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lock，没有了锁。

index2获取了lock

        index2线程获取到了cpu的资源，开始执行方法

        uuid=v2

        set(lock,uuid)；

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

        删除的index2的锁！

解决方案：LUA脚本

优化：LUA脚本保证删除的原子性

@GetMapping("testLockLua")

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);

// 第一种： lock 与过期时间中间不写任何的代码。

// redisTemplate.expire("lock",10, TimeUnit.SECONDS);//设置过期时间

// 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 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： 

总结 

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);

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 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);

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。

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