五、分布式锁-redission

创创ccccc2024-03-25 9:50

源码仓库地址：git@gitee.com:chuangchuang-liu/hm-dingping.git

1、redission介绍

目前基于redis的setnx特性实现的自定义分布式锁仍存在的问题：

问题 描述
重入问题 同一个线程无法多次获取统一把锁。当方法A成功获取锁后，调用方法B，方法B也要获取锁，此时由于锁是不可重入的，也就是被方法A占用着，此时就产生了死锁的问题
不可重试 自定义分布式锁无失败重试机制
超时释放 锁的超时释放虽然可以避免死锁问题，但确实也可能存在业务执行时间比较长的情况，那这种情况下就仍存在安全隐患问题
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。

什么是Redission？

Redission是一个用于Java的Redis客户端，它提供了丰富的特性，包括内存数据网格的功能。它支持同步/异步/RxJava/Reactive API，拥有超过50种基于Redis的Java对象和服务。Redission的使用非常简单，没有学习曲线，您不需要了解任何Redis命令就可以开始使用。（GitHub - redisson/redisson, Redisson官网）

Redission可以让Java应用更方便地访问和操作Redis数据存储，适合于需要高性能和高并发的应用场景。

2、快速开始

  1. 导入依赖
xml 复制代码 
<!--redission-->
<dependency>
  <groupId>org.redisson</groupId>
  <artifactId>redisson</artifactId>
  <version>3.13.6</version>
</dependency>
  1. Redission配置客户端
java 复制代码 
@Configuration
public class RedisConfig {

    @Bean
    public RedissonClient redisClient(){

        Config config = new Config();
        // 可以用"rediss://"来启用SSL连接
        config.useSingleServer().setAddress("redis://192.168.224.128:6379").setPassword("123456");
        return Redisson.create(config);
    }
}
  1. 使用Redission分布式锁
java 复制代码 
@Resource
private RedissionClient redissonClient;

@Test
void testRedisson() throws Exception{
    //获取锁(可重入)，指定锁的名称
    RLock lock = redissonClient.getLock("anyLock");
    //尝试获取锁，参数分别是：获取锁的最大等待时间(期间会重试)，锁自动释放时间，时间单位
    boolean isLock = lock.tryLock(1,10,TimeUnit.SECONDS);
    //判断获取锁成功
    if(isLock){
        try{
            System.out.println("执行业务");          
        }finally{
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
}

3、redission可重入锁原理

3.1、原理介绍

在Lock锁中，他是借助于底层的一个voaltile的一个state变量来记录重入的状态的，比如当前没有人持有这把锁，那么state=0，假如有人持有这把锁，那么state=1，如果持有这把锁的人再次持有这把锁，那么state就会+1 ，如果是对于synchronized而言，他在c语言代码中会有一个count，原理和state类似，也是重入一次就加一，释放一次就-1 ，直到减少成0 时，表示当前这把锁没有被人持有。 、

而在redission中，也支持这种可重入锁原理，是通过redis的hash数据结构实现的。其中key表示这把锁是否存在，field判断锁是被哪个线程持有，value则记录锁被持有次数。

3.2、源码剖析

  • 获取锁

其中各参数解释：

KEYS[1]：锁的名称

ARGV[1]：锁过期时间

ARGV[2]：id + ":" + threadId

lua 复制代码 
"if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
"redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
"return nil; " +
"end; " +
"if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
"redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
"return nil; " +
"end; " +
"return redis.call('pttl', KEYS[1]);"

判断锁是否存在

如果不存在，则设置当前线程标识，计数器+1；设置过期时间；

如果存在。做二次判断，判断锁的持有线程是不是自己？

如果是，计数器+1，重置锁的过期时间；

如果不是，获取锁失败，返回锁的剩余过期时间

  • 释放锁

其中各参数解释：

KEYS[1]：锁的名称

KEYS[2]：订阅频道

ARGV[1]：是要发布的消息内容

ARGV[2]：锁过期时间

ARGV[3]：id + ":" + threadId

lua 复制代码 
"if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then " +
"return nil;" +
"end; " +
"local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); " +
"if (counter > 0) then " +
"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); " +
"return 0; " +
"else " +
"redis.call('del', KEYS[1]); " +
"redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
"return 1; " +
"end; " +
"return nil;"

判断锁是不是当前线程？

不是==>直接返回

是==>计数器--

二次判断，判断计数器是否大于0

大于0==>重置锁过期时间

否则==>真正释放锁

4、redission锁重试和WatchDog机制

4.1、redission是如何解决不可重试的？

源码剖析：

用户调用tryLock方法时，指定waitTime最大等待时间

java 复制代码 
public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long time = unit.toMillis(waitTime);
    long current = System.currentTimeMillis();
    long threadId = Thread.currentThread().getId();
    Long ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);
    // lock acquired
    if (ttl == null) {
        return true;
    }

    time -= System.currentTimeMillis() - current;
    if (time <= 0) {
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    }

    current = System.currentTimeMillis();
    RFuture<RedissonLockEntry> subscribeFuture = subscribe(threadId);
    if (!subscribeFuture.await(time, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
        if (!subscribeFuture.cancel(false)) {
            subscribeFuture.onComplete((res, e) -> {
                if (e == null) {
                    unsubscribe(subscribeFuture, threadId);
                }
            });
        }
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    }

    try {
        time -= System.currentTimeMillis() - current;
        if (time <= 0) {
            acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
            return false;
        }

        while (true) {
            long currentTime = System.currentTimeMillis();
            ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);
            // lock acquired
            if (ttl == null) {
                return true;
            }

            time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
            if (time <= 0) {
                acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
                return false;
            }

            // waiting for message
            currentTime = System.currentTimeMillis();
            if (ttl >= 0 && ttl < time) {
                subscribeFuture.getNow().getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
            } else {
                subscribeFuture.getNow().getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
            }

            time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
            if (time <= 0) {
                acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
                return false;
            }
        }
    } finally {
        unsubscribe(subscribeFuture, threadId);
    }
    //        return get(tryLockAsync(waitTime, leaseTime, unit));
}
  1. 计算等待时间和获取当前时间：将用户指定的等待时间转换为毫秒，并记录方法调用时的当前时间。
  2. 尝试获取锁。如果ttl为空，则获取锁成功；否则，返回的是其他线程占用锁的剩余有效时间
  3. 检查剩余等待时间。如果time小于等于0，调用acquireFailed方法返回false
  4. 订阅锁。通过subscribe方法订阅相关的锁。如果在剩余时间内未能订阅成功，处理取消订阅并调用acquireFailed方法，返回false。
  5. 循环等待锁释放消息。等待过程中会调用tryAcquire方法获取锁，如果获取成功返回true
  6. 处理锁的ttl。如果ttl大于0，返回锁被其他线程占用的剩余过期时间（ttl）。更新剩余等待时间（time）。以time和ttl中较小的值继续等待再次尝试。
  7. 再次检查等于剩余等待时间。如果小于0，调用acquireFailed方法返回false
  8. 循环结束后（要么获取锁成功，要么超过最大等待时间了），最终调用unsubscribe方法取消订阅
    结论1：redission不是获取锁失败后立即进行重试，而是等待"一定时间"后再进行重试，节省了一定的CPU资源，对服务器性能有一定提升；

结论2：一定要采取调用tryLock方法携带参数waitTime的重载方法，其他重载的tryLock方法底层是不具备重试机制的。

4.2、redission是如何解决锁超时释放的-看门狗机制？

自定义分布式锁仍存在的一个问题是：锁的超时释放虽然可以避免死锁问题，但确实也可能存在业务执行时间比较长的情况，那这种情况下业务还未执行完毕，锁就被释放了，存在一定的安全隐患。

源码剖析：

java 复制代码 
private RFuture<Boolean> tryAcquireOnceAsync(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId) {
    if (leaseTime != -1) {
        return tryLockInnerAsync(waitTime, leaseTime, unit, threadId, RedisCommands.EVAL_NULL_BOOLEAN);
    }
    RFuture<Boolean> ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(waitTime,
                                                            commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout(),
                                                            TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_NULL_BOOLEAN);
    ttlRemainingFuture.onComplete((ttlRemaining, e) -> {
        if (e != null) {
            return;
        }

        // lock acquired
        if (ttlRemaining) {
            // 开启任务更新过期时间
            scheduleExpirationRenewal(threadId);
        }
    });
    return ttlRemainingFuture;
}
java 复制代码 
private void renewExpiration() {
    ExpirationEntry ee = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName());
    if (ee == null) {
        return;
    }

    Timeout task = commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(new TimerTask() {
        @Override
        public void run(Timeout timeout) throws Exception {
            ExpirationEntry ent = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName());
            if (ent == null) {
                return;
            }
            Long threadId = ent.getFirstThreadId();
            if (threadId == null) {
                return;
            }

            RFuture<Boolean> future = renewExpirationAsync(threadId);
            future.onComplete((res, e) -> {
                if (e != null) {
                    log.error("Can't update lock " + getName() + " expiration", e);
                    return;
                }

                if (res) {
                    // reschedule itself
                    renewExpiration();
                }
            });
        }
    }, internalLockLeaseTime / 3, TimeUnit.MILLISECONDS);

    ee.setTimeout(task);
}
java 复制代码 
protected RFuture<Boolean> renewExpirationAsync(long threadId) {
        return evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
                "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
                        "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                        "return 1; " +
                        "end; " +
                        "return 0;",
                Collections.singletonList(getName()),
                internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
    }
  1. 如果没有指定leaseTime，那么底层会默认传入commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout()看门狗时间
  2. 在leasetime的1/3处时间，会创建一个任务renewExpirationAsync方法来异步地更新重置锁过期时间
  3. 递归地调用自身来更新锁过期时间，直到业务处理完毕。
    至此redission解决了因业务阻塞而导致锁提前释放的问题

业务执行完毕，释放锁源码剖析：

java 复制代码 
public RFuture<Void> unlockAsync(long threadId) {
    RPromise<Void> result = new RedissonPromise<Void>();
    // 释放锁
    RFuture<Boolean> future = unlockInnerAsync(threadId);

    future.onComplete((opStatus, e) -> {
        // 取消锁失效时间更新重置任务
        cancelExpirationRenewal(threadId);

        if (e != null) {
            result.tryFailure(e);
            return;
        }

        if (opStatus == null) {
            IllegalMonitorStateException cause = new IllegalMonitorStateException("attempt to unlock lock, not locked by current thread by node id: "
                    + id + " thread-id: " + threadId);
            result.tryFailure(cause);
            return;
        }

        result.trySuccess(null);
    });

    return result;
}



void cancelExpirationRenewal(Long threadId) {
    ExpirationEntry task = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName());
    if (task == null) {
        return;
    }
    
    if (threadId != null) {
        task.removeThreadId(threadId);
    }

    if (threadId == null || task.hasNoThreads()) {
        Timeout timeout = task.getTimeout();
        if (timeout != null) {
            timeout.cancel();
        }
        // 删除递归更新锁时间任务
        EXPIRATION_RENEWAL_MAP.remove(getEntryName());
    }
}

当业务执行完毕且锁正常释放后，删除递归更新锁时间任务，避免redission一直递归创建任务更新锁过期时间

5、redission锁的MultiLock原理

为了提高redis的可用性，我们会搭建集群或者主从，现在以主从为例

此时我们去写命令，写在主机上， 主机会将数据同步给从机，但是假设在主机还没有来得及把数据写入到从机去的时候，此时主机宕机，哨兵会发现主机宕机，并且选举一个slave变成master，而此时新的master中实际上并没有锁信息，此时锁信息就已经丢掉了。

为了解决该问题，redission的方案是去掉redis集群主从关系，每一个节点都是平等的。加锁逻辑是需要写入到每一个节点上才算加锁成功。这样，当某一台机器宕机了，这台机器的slave节点变为master节点，此时另一个线程趁虚而入，虽然可以正常写入，但其它机器仍会写入失败，最终结果仍是获取锁失败，从而保证了获取锁的可靠性。

MulitLock源码剖析：

java 复制代码 
public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    //        try {
    //            return tryLockAsync(waitTime, leaseTime, unit).get();
    //        } catch (ExecutionException e) {
    //            throw new IllegalStateException(e);
    //        }
    long newLeaseTime = -1;
    if (leaseTime != -1) {
        if (waitTime == -1) {
            newLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);
        } else {
            newLeaseTime = unit.toMillis(waitTime)*2;
        }
    }

    long time = System.currentTimeMillis();
    long remainTime = -1;
    if (waitTime != -1) {
        remainTime = unit.toMillis(waitTime);
    }
    long lockWaitTime = calcLockWaitTime(remainTime);

    int failedLocksLimit = failedLocksLimit();
    List<RLock> acquiredLocks = new ArrayList<>(locks.size());
    for (ListIterator<RLock> iterator = locks.listIterator(); iterator.hasNext();) {
        RLock lock = iterator.next();
        boolean lockAcquired;
        try {
            if (waitTime == -1 && leaseTime == -1) {
                lockAcquired = lock.tryLock();
            } else {
                long awaitTime = Math.min(lockWaitTime, remainTime);
                lockAcquired = lock.tryLock(awaitTime, newLeaseTime, TimeUnit.MILLISECONDS);
            }
        } catch (RedisResponseTimeoutException e) {
            unlockInner(Arrays.asList(lock));
            lockAcquired = false;
        } catch (Exception e) {
            lockAcquired = false;
        }

        if (lockAcquired) {
            acquiredLocks.add(lock);
        } else {
            if (locks.size() - acquiredLocks.size() == failedLocksLimit()) {
                break;
            }

            if (failedLocksLimit == 0) {
                unlockInner(acquiredLocks);
                if (waitTime == -1) {
                    return false;
                }
                failedLocksLimit = failedLocksLimit();
                acquiredLocks.clear();
                // reset iterator
                while (iterator.hasPrevious()) {
                    iterator.previous();
                }
            } else {
                failedLocksLimit--;
            }
        }

        if (remainTime != -1) {
            remainTime -= System.currentTimeMillis() - time;
            time = System.currentTimeMillis();
            if (remainTime <= 0) {
                unlockInner(acquiredLocks);
                return false;
            }
        }
    }

    if (leaseTime != -1) {
        List<RFuture<Boolean>> futures = new ArrayList<>(acquiredLocks.size());
        for (RLock rLock : acquiredLocks) {
            RFuture<Boolean> future = ((RedissonLock) rLock).expireAsync(unit.toMillis(leaseTime), TimeUnit.MILLISECONDS);
                futures.add(future);
            }
            
            for (RFuture<Boolean> rFuture : futures) {
                rFuture.syncUninterruptibly();
            }
        }
        
        return true;
    }
  1. 遍历锁集合，调用lock.tryLock尝试获取锁。将获取结果传给变量lockAcquired
  2. 如果获取成功，将当前锁存放到acquiredLocks集合中
  3. 获取成功后，如果此时的剩余等待时间小于等于0，释放自己已获取的锁，返回false
  4. 如果获取失败，判断是否具备重试机制
    1. 没有重试，则直接返回false
    2. 有重试机制，将acquiredLocks集合清空，将iterator指针前移，重新遍历尝试。

6、结论

目前已接触的分布式锁有：

  • 可不重入锁/自定义分布式锁：

原理： 利用setnx特性、expire避免死锁、添加线程标识避免锁误删
缺点： 仍存在不可重入、失败不可重试、锁超时失效等问题

  • 可重入锁：

原理： 利用hash数据结构存储线程标识和重入次数、利用看门狗机制延续锁失效时间、利用信号量机制控制等待重试时间
缺点： 仍存在集群模式下redis宕机导致的锁失效问题

  • MulitLock

原理： 利用多个平等的redis节点，所有redis都写入才算获取锁成功
缺点： 维护成本高，实现相对复杂

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