Redis-分布式锁

周周写不完的代码2024-10-11 9:06

手写分布式锁

qa

redis除了做缓存，还有什么用法
redis 单机与集群的cap分析

锁的种类

一个分布式锁需要满足的条件和刚需

  • 独占性：任何时间只能有一个线程占有
  • 高可用：
    • 在redis集群环境下，不能因为一个节点挂了而出现获取锁和释放锁失败的情况
    • 高并发请求下，依旧性能 ok
  • 防死锁：杜绝死锁，必须有超时控制机制与撤销操作，有个兜底终止跳出方案
  • 不乱抢：防止张冠李戴，不能私下unlock别人的锁，只能自己加锁自己释放，自己约的锁含着泪也要自己解
  • 重入性：同一个节点的同一个线程，获得锁之后，他也可以再次获取这个锁

分布式锁及其重点

setnx 来获取锁

boot+redis 基础案例

使用场景

java 复制代码 
@Service
@Slf4j
public class InventoryService {

    @Autowired
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    @Value("${server.port}")
    private String port;

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public String sale() {
        String retMessage = "";

        lock.lock();
        try {
            //1 查询库存信息
            String result = stringRedisTemplate.opsForValue().get("inventory001");
            //2 判断库存是否足够
            Integer inventoryNumber = result == null? 0 : Integer.parseInt(result);
            //3 扣除库存，每次减少一个
            if (inventoryNumber > 0) {
                inventoryNumber--;
                stringRedisTemplate.opsForValue().set("inventory001", String.valueOf(inventoryNumber));
                retMessage = "成功卖出一个商品，剩余库存" + inventoryNumber;
                System.out.println(retMessage + "，端口号：" + port);
            }else {
                retMessage = "商品卖完了";
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }

        return retMessage;
    }
}
java 复制代码 
@RestController
@Api(tags = "redis 分布式锁测试")
public class InventoryController {

    @Autowired
    private InventoryService inventoryService;

    @ApiOperation("扣除库存，一次卖一个")
    @GetMapping("/inventory/sale")
    public String sale() {
        return inventoryService.sale();
    }

}

GET http://localhost:6000/inventory/sale

手写分布式锁分析

拷贝出来一份

nginx 负载均衡

nginx 复制代码 
upstream stock {
server 127.0.0.1:6001 weight=1;
server 127.0.0.1:6000 weight=1;
}

server {
listen 9000;
server_name localhost;

location / {
proxy_pass http://stock;
index index.html index.htm;
}
}
http 复制代码 
GET http://localhost:9000/inventory/sale

jmeter

添加线程组 100*1

添加取样器-http请求

添加 listener-聚合报告

jmeter 100个线程1s执行完毕

执行完毕查看 库存数

为什么加了synchronized 和 lock 但是没有控制住

3.1 版本 setnx
java 复制代码 
public String sale() {
        String retMessage = "";
        String key = "zzyRedisLock";
        String uuidValue = IdUtil.simpleUUID() + Thread.currentThread().getId();

        Boolean flag = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, uuidValue);

        if (!flag) {
            // 暂停20s，进行递归重试
            try {TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(20);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
            sale();
        } else {
            // 抢锁成功的请求线程，进行正常的业务逻辑操作，扣减库存

            try {
                //1 查询库存信息
                String result = stringRedisTemplate.opsForValue().get("inventory001");
                //2 判断库存是否足够
                Integer inventoryNumber = result == null? 0 : Integer.parseInt(result);
                //3 扣除库存，每次减少一个
                if (inventoryNumber > 0) {
                    inventoryNumber--;
                    stringRedisTemplate.opsForValue().set("inventory001", String.valueOf(inventoryNumber));
                    retMessage = "成功卖出一个商品，剩余库存" + inventoryNumber;
                    System.out.println(retMessage + "，端口号：" + port);
                }else {
                    retMessage = "商品卖完了";
                }
            } finally {
                stringRedisTemplate.delete(key);
            }
        }

        return retMessage + "，端口号：" + port;
    }
3.2 自旋代替递归重试 while替代if
java 复制代码 
public String sale() {
        String retMessage = "";
        String key = "zzyRedisLock";
        String uuidValue = IdUtil.simpleUUID() + Thread.currentThread().getId();


        // 不用递归了，高并发下使用自旋替代递归重试，使用while
        while (!stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, uuidValue)) {
            try {
                TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        // 抢锁成功的请求线程，进行正常的业务逻辑操作，扣减库存

        try {
            //1 查询库存信息
            String result = stringRedisTemplate.opsForValue().get("inventory001");
            //2 判断库存是否足够
            Integer inventoryNumber = result == null ? 0 : Integer.parseInt(result);
            //3 扣除库存，每次减少一个
            if (inventoryNumber > 0) {
                inventoryNumber--;
                stringRedisTemplate.opsForValue().set("inventory001", String.valueOf(inventoryNumber));
                retMessage = "成功卖出一个商品，剩余库存" + inventoryNumber;
                System.out.println(retMessage + "，端口号：" + port);
            } else {
                retMessage = "商品卖完了";
            }
        } finally {
            stringRedisTemplate.delete(key);
        }

        return retMessage + "，端口号：" + port;
    }

部署了微服务的Java程序挂了，代码层面根本没有走到 finally 这块，没办法保证解锁(无过期时间该key一直存在)，这个key没有被删除，需要加入一个过期时间限定 key

4.1 setnx 添加过期时间
4.2 加锁和过期时间必须在同一行，保证原子性
5.0 防止误删key

锁超时误删除

6.0 lua 脚本实现删除时判断和删除操作的原子性

Distributed Locks with Redis

介绍 lua 脚本

调用 lua 脚本，教程

  1. 实现 hello lua

注意 0 作为唤醒词

  1. 实现 set expire get

redis.call 用来调用命令，最后一个需要返回使用 return

  1. mset 重在掌握 lua脚本中 args传参的用法

2 -> key argv 数量

k1 k2 -> key1 key2 前两个 key，后面都是 argv

lua1 lua2 -> argv1 argv2

  1. 官网lua脚本 如何执行呢
lua 复制代码 
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

补充说明 if elseif else

java 复制代码 
// 改进点，修改为 Lua 脚本的 redis 分布式锁调用，必须保证原子性，参考官网脚本案例
String luaScript = "if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then " +
                    "return redis.call('del',KEYS[1]) " +
                "else " +
                    "return 0 " +
                "end";
stringRedisTemplate.execute(new DefaultRedisScript(luaScript, Boolean.class), Arrays.asList(key), uuidValue);
  • new DefaultRedisScript(luaScript, Boolean.class) -> Boolean.class 指定返回值，不指定会报错
7.0 可重入 + 设计模式
juc 中可重入的解释

可重入锁的解释

juc 中可重入锁的案例演示（同步代码块，同步方法，Lock重点）

同步代码块

同步方法

注意使用 Lock 的时候，重入的时候加锁解锁次数要匹配，解锁次数不足则会导致锁仍然被占用，记得这里有个计数器

redis 中如何实现 aqs 中可重入规范

需要一个计数器，需要 kkv 这种结构才能满足 -> hset

实现思路分析
lua 脚本分析
加锁Lock
  • 判断redis分布式锁key是否存在 EXISTS key
    • 不存在，hset新建当前线程属于自己的锁 uuid:ThreadId
    • 存在，说明已经有锁 HEXISTS key uuid:ThreadId
      • 不是自己的
      • 是自己的，自增一次
lua 复制代码 
-- 加锁的lua的脚本，对标我们的lock方法
-- 加锁 v1
if redis.call('exists', 'key') == 0 then
    redis.call('hset', 'key', 'uuid:threadid', 1)
    redis.call('expire', 'key', '50')
    return 1
elseif redis.call('hexists', 'key', 'uuid:threadid') == 1 then
    redis.call('hincrby', 'key', 'uuid:threadid', 1)
    redis.call('expire', 'key', '50')
    return 1
else
    return 0
end

-- v2 合并相同的代码，用incrby替代hset 简化代码
if redis.call('exists', 'key') == 0 or redis.call('hexists', 'key', 'uuid:threadid') == 1 then
    redis.call('hincrby', 'key', 'uuid:threadid', 1)
    redis.call('expire', 'key', '50')
    return 1
else
    return 0
end

-- v3 脚本ok了，	替换参数
if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 or redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then
    redis.call('hincrby', KEY[1], ARGV[1], 1)
    redis.call('expire', KEY[1], ARGV[2])
    return 1
else
    return 0
end

-- 合并到一行
if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 or redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then redis.call('hincrby', KEY[1], ARGV[1], 1) redis.call('expire', KEY[1], ARGV[2]) return 1 else return 0 end
加锁 unLock

设计思路：解锁，还得是自己的锁

lua 复制代码 
-- v1 解锁
if redis.call('hexists', 'key', 'uuid:threadid') == 0 then
    return nil
elseif redis.call('hincrby', 'key', 'uuid:threadid', -1) == 0 then
    return redis.call('del', 'key')
else
    return 0
end
-- v2 替换下参数
if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 0 then
    return nil
elseif redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], -1) == 0 then
    return redis.call('del', KEYS[1])
else
    return 0
end

给出测试代码

加锁四次，解锁四次

shell 复制代码 
EVAL "if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 or redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], 1) redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2]) return 1 else return 0 end" 1 zzyyRedisLock 001:1 50
EVAL "if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 or redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], 1) redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2]) return 1 else return 0 end" 1 zzyyRedisLock 001:1 50
EVAL "if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 or redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], 1) redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2]) return 1 else return 0 end" 1 zzyyRedisLock 001:1 50
EVAL "if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 or redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], 1) redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2]) return 1 else return 0 end" 1 zzyyRedisLock 001:1 50
ttl zzyyRedisLock
HGET zzyyRedisLock 001:1
EVAL "if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 0 then return nil elseif redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], -1) == 0 then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end" 1 zzyyRedisLock 001:1
EVAL "if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 0 then return nil elseif redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], -1) == 0 then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end" 1 zzyyRedisLock 001:1
EVAL "if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 0 then return nil elseif redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], -1) == 0 then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end" 1 zzyyRedisLock 001:1
EVAL "if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 0 then return nil elseif redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], -1) == 0 then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end" 1 zzyyRedisLock 001:1
lua脚本整合进程序->实现 Lock 接口

我们创建一个 Lock 实现类，重写lock(重载到 tryLock 中最终实现)，unlock方法

java 复制代码 
@Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        if (time == -1L) {
            String luaScript = "if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 or redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then " +
                    "    redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], 1) " +
                    "    redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2]) " +
                    "    return 1 " +
                    "else" +
                    "    return 0 " +
                    "end";
            while (!(Boolean) stringRedisTemplate.execute(new DefaultRedisScript(luaScript, Boolean.class),
                    Arrays.asList(lockName), uuidValue, String.valueOf(expireTime))){
                try {
                    Thread.sleep(60);
                }catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

@Override
    public void unlock() {
        String luaScript = "if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 0 then " +
                "    return nil " +
                "elseif redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], -1) == 0 then " +
                "    return redis.call('del', KEYS[1]) " +
                "else " +
                "    return 0 " +
                "end";
        // nil = false 1 = true 0 = false
        // 这里返回值不方便使用 Boolean
        Long flag = (Long) stringRedisTemplate.execute(new DefaultRedisScript(luaScript, Long.class),
                Arrays.asList(lockName), uuidValue);
        if (null == flag) {
            throw new RuntimeException("锁不存在");
        }
    }
7.1 工厂模式优化，方便整合其他锁实现

锁的实现写死了，以后如果引入别的类型的锁，zookeeper 等

java 复制代码 
@Component
public class DistributedLockFactory {

    @Autowired
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    private String lockName;

    public Lock getDistributedLock(String lockType) {
        if (lockType == null) {
            return null;
        }

        if (lockType.equalsIgnoreCase("REDIS")) {
            this.lockName = "zzyRedisLock";
            return new RedisDistributedLock(stringRedisTemplate, lockName);
        }else if (lockType.equalsIgnoreCase("ZOOKEEPER")) {
            this.lockName = "zzyZookeeperLock";
            // TODO zookeeper lock
            return null;
        } else if (lockType.equalsIgnoreCase("MYSQL")) {
            // TODO mysql lock
        }
        return null;
    }

}
7.2 可重入测试重点->解决uuid不一致，最终实现可重入

解决重入后 uuid 不一致问题

uuid 直接从工厂获取

这块说的比较碎，结合起来理解下

8.0 自动实现锁续期
CAP

Redis 可能存在异步复制导致的锁丢失，主节点还没来得及把刚刚set进来的这条数据同步到从节点，master就挂了，从机上位，但从机上无该数据

zookeeper 只有整个同步全部成功，才会注册成功，速度会稍慢。主节点挂了，只有选举出新老大后，才可用

euraka

加钟的 lua

在拿到锁的同时添加一个后台程序，为ttl 的 1/3

续期后再调用自己添加 监视程序，保证能够一直续期

lua 复制代码 
if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then 
  return redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[1])
else
  return 0
end
代码中实现->加一个延时定时器任务

递归调用，3/1 时间间隔，如果锁仍然持有的话

比如 expireTime = 30，第20秒触发，继续续到 30

java 复制代码 
// tryLock 返回之前
// 新建一个后台扫描程序，来监视key目前的ttl，是否到我们规定的 1/2 1/3 来实现续期
resetExpire();

public void resetExpire() {
        String script = "if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then " +
                "return redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2]) " +
                "else " +
                "return 0 " +
                "end";
        new Timer().schedule(new TimerTask() {

            @Override
            public void run() {
                if ((boolean) stringRedisTemplate.execute(new DefaultRedisScript(script, Boolean.class),
                        Arrays.asList(lockName), uuidValue, String.valueOf(expireTime))) {
                    resetExpire();
                }
            }
        }, (this.expireTime * 1000) / 3);
    }

小总结&如果让你自研一把分布式锁，你要怎么做

  1. 按照 juc Lock 接口规范编写
  2. lock 加锁关键逻辑
    1. 加锁
      1. 给key设置一个值，为避免死锁，并给定一个过期时间
    2. 自旋
    3. 续期
  1. unlock 解锁关键逻辑
    1. 将 key 键删除，但也不能乱删，不能删除其他客户端的锁

redlock与 redisson

来由->我们手写的分布式锁有什么缺点

redis 单机故障

RedLock算法设计理念

容错公式

v9.0

Getting Started - Redisson Reference Guide

xml 复制代码 
<dependency>
   <groupId>org.redisson</groupId>
   <artifactId>redisson</artifactId>
   <version>3.20.1</version>
</dependency>
java 复制代码 
@Bean
public Redisson redisson() {
    Config config = new Config();
    config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379").setDatabase(0);

    return (Redisson) Redisson.create(config);
}


RLock lock = redisson.getLock(key);

看门狗，续期

v9.1

Redisson 源码分析

多机案例->MultiLock 创建联锁

但 RedLock 被标记弃用

将多个 RLock 对象关联为一个联锁对象，只有所有节点加锁成功，联锁才成功

实操

我们创建三个 RedisClient，然后创建一个联锁即可

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