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28 实战:分布式锁详解与代码

什么是锁?

锁是一种常用的并发控制机制,用于保证一项资源在任何时候只能被一个线程使用,如果其他线程也要使用同样的资源,必须排队等待上一个线程使用完。

锁的示意图,如下所示:

锁示意图.png

什么是分布式锁?

上面说的锁指的是程序级别的锁,例如 Java 语言中的 synchronized 和 ReentrantLock 在单应用中使用不会有任何问题,但如果放到分布式环境下就不适用了,这个时候我们就要使用分布式锁。

分布式锁比较好理解就是用于分布式环境下并发控制的一种机制,用于控制某个资源在同一时刻只能被一个应用所使用。

分布式锁示意图,如下所示:

image.png

怎么实现分布式锁?

分布式锁比较常见的实现方式有三种:

  1. Memcached 实现的分布式锁:使用 add 命令,添加成功的情况下,表示创建分布式锁成功。
  2. ZooKeeper 实现的分布式锁:使用 ZooKeeper 顺序临时节点来实现分布式锁。
  3. Redis 实现的分布式锁。

本文要重点来说的是第三种,也就是 Redis 分布式锁的实现方式。

Redis 分布式锁的实现思路是使用 setnx(set if not exists),如果创建成功则表明此锁创建成功,否则代表这个锁已经被占用创建失败。

分布式锁实现

127.0.0.1:6379> setnx lock true
(integer) 1 #创建锁成功
#逻辑业务处理...
127.0.0.1:6379> del lock
(integer) 1 #释放锁

从以上代码可以看出,释放锁使用 del lock 即可,如果在锁未被删除之前,其他程序再来执行 setnx 是不会创建成功的,结果如下:

127.0.0.1:6379> setnx lock true
(integer) 0

执行结果为 0 表示失败。

setnx 的问题

setnx 虽然可以成功地创建分布式锁,但存在一个问题,如果此程序在创建了锁之后,程序异常退出了,那么这个锁将永远不会被释放,就造成了死锁的问题

这个时候有人想到,我们可以使用 expire key seconds 设置超时时间,即使出现程序中途崩溃的情况,超过超时时间之后,这个锁也会解除,不会出现死锁的情况了,实现命令如下:

127.0.0.1:6379> setnx lock true
(integer) 1
127.0.0.1:6379> expire lock 30
(integer) 1
#逻辑业务处理...
127.0.0.1:6379> del lock
(integer) 1 #释放锁

但这样依然会有问题,因为命令 setnx 和 expire 处理是一前一后非原子性的,因此如果在它们执行之间,出现断电和 Redis 异常退出的情况,因为超时时间未设置,依然会造成死锁。

带参数的 Set

因为 setnx 和 expire 存在原子性的问题,所以之后出现了很多类库用于解决此问题的,这样就增加了使用的成本,意味着你不但要添加 Redis 本身的客户端,并且为了解决 setnx 分布式锁的问题,还需要额外第三方类库。

然而,这个问题到 Redis 2.6.12 时得到了解决,因为这个版本可以使用 set 并设置超时和非空判定等参数了。

image.png

这样我们就可以使用 set 命令来设置分布式锁,并设置超时时间了,而且 set 命令可以保证原子性,实现命令如下所示:

127.0.0.1:6379> set lock true ex 30 nx
OK #创建锁成功
127.0.0.1:6379> set lock true ex 30 nx
(nil) #在锁被占用的时候,企图获取锁失败

其中, ex n 为设置超时时间,nx 为元素非空判断,用来判断是否能正常使用锁的。

分布式锁的执行超时问题

使用 set 命令之后好像所有问题都解决了,然后真相是“没那么简单”。使用 set 命令只解决创建锁的问题,那执行中的极端问题,和释放锁极端问题,我们依旧要考虑。

例如,我们设置锁的最大超时时间是 30s,但业务处理使用了 35s,这就会导致原有的业务还未执行完成,锁就被释放了,新的程序和旧程序一起操作就会带来线程安全的问题。

此执行流程如下图所示:

分布式锁-执行超时同时拥有锁.png

执行超时的问题处理带来线程安全问题之外,还引发了另一个问题:锁被误删

假设锁的最大超时时间是 30s,应用 1 执行了 35s,然而应用 2 在 30s,锁被自动释放之后,用重新获取并设置了锁,然后在 35s 时,应用 1 执行完之后,就会把应用 2 创建的锁给删除掉,如下图所示:

分布式锁-锁被误删.png

锁被误删的解决方案是在使用 set 命令创建锁时,给 value 值设置一个归属人标识,例如给应用关联一个 UUID,每次在删除之前先要判断 UUID 是不是属于当前的线程,如果属于在删除,这样就避免了锁被误删的问题。

注意:如果是在代码中执行删除,不能使用先判断再删除的方法,伪代码如下:

if(xxx.equals(xxx)){ // 判断是否是自己的锁
    del(luck); // 删除锁
}

因为判断代码和删除代码不具备原子性,因此也不能这样使用,这个时候可以使用 Lua 脚本来执行判断和删除的操作,因为多条 Lua 命令可以保证原子性,Java 实现代码如下:

/**
 * 释放分布式锁
 * @param jedis Redis 客户端
 * @param lockKey 锁的 key
 * @param flagId 锁归属标识
 * @return 是否释放成功
 */
public static boolean unLock(Jedis jedis, String lockKey, String flagId) {
    String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
    Object result = jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(flagId));
    if ("1L".equals(result)) { // 判断执行结果
        return true;
    }
    return false;
}

其中,Collections.singletonList() 方法的作用是将 String 转成 List,因为 jedis.eval() 最后两个参数的类型必须是 List。

说完了锁误删的解决方案,咱们回过头来看如何解决执行超时的问题,执行超时的问题可以从以下两方面来解决:

  1. 把执行比较耗时的任务不要放到加锁的方法内,锁内的方法尽量控制执行时长;
  2. 把最大超时时间可以适当的设置长一点,正常情况下锁用完之后会被手动的删除掉,因此适当的把最大超时时间设置的长一点,也是可行的。

代码实战

下面我们使用 Java 代码来实现分布式锁,代码如下:

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.params.SetParams;
import utils.JedisUtils;

import java.util.Collections;
public class LockExample {
    static final String _LOCKKEY = "REDISLOCK"; // 锁 key
    static final String _FLAGID = "UUID:6379";  // 标识(UUID)
    static final Integer _TimeOut = 90;     // 最大超时时间

    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = JedisUtils.getJedis();
        // 加锁
        boolean lockResult = lock(jedis, _LOCKKEY, _FLAGID, _TimeOut);
        // 逻辑业务处理
        if (lockResult) {
            System.out.println("加锁成功");
        } else {
            System.out.println("加锁失败");
        }
        // 手动释放锁
        if (unLock(jedis, _LOCKKEY, _FLAGID)) {
            System.out.println("锁释放成功");
        } else {
            System.out.println("锁释放成功");
        }
    }
    /**
     * @param jedis       Redis 客户端
     * @param key         锁名称
     * @param flagId      锁标识(锁值),用于标识锁的归属
     * @param secondsTime 最大超时时间
     * @return
     */
    public static boolean lock(Jedis jedis, String key, String flagId, Integer secondsTime) {
        SetParams params = new SetParams();
        params.ex(secondsTime);
        params.nx();
        String res = jedis.set(key, flagId, params);
        if (StringUtils.isNotBlank(res) && res.equals("OK"))
            return true;
        return false;
    }
    /**
     * 释放分布式锁
     * @param jedis   Redis 客户端
     * @param lockKey 锁的 key
     * @param flagId  锁归属标识
     * @return 是否释放成功
     */
    public static boolean unLock(Jedis jedis, String lockKey, String flagId) {
        String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
        Object result = jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(flagId));
        if ("1L".equals(result)) { // 判断执行结果
            return true;
        }
        return false;
    }
}

以上代码执行结果如下所示:

加锁成功
锁释放成功

小结

本文介绍了锁和分布式锁的概念,锁其实就是用来保证同一时刻只有一个程序可以去操作某一个资源,以此来保证并发时程序能正常执行的。使用 Redis 来实现分布式锁不能使用 setnx 命令,因为它可能会带来死锁的问题,因此我们可以使用 Redis 2.6.12 带来的多参数的 set 命令来申请锁,但在使用的时候也要注意锁内的业务流程执行的时间,不能大于锁设置的最大超时时间,不然会带来线程安全问题和锁误删的问题。